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

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 M^N-2/2, где M - число формируемых быстрым преобразованием Фурье азимутальных элементов, со скольжением массивов на шаг M^N-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 M^N-2/2, где M - число формируемых быстрым преобразованием Фурье элементов разрешения по доплеровской частоте, со скольжением массивов на шаг M^N-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 (f_Доп)» после процедуры амплитудного детектирования и усреднения в одном интервале когерентного накопления (синтеза апертуры). Через F_п 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 M^N-2/2, где M - число формируемых быстрым преобразованием Фурье элементов разрешения по доплеровской частоте, со скольжением массивов на шаг M^N-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.