Синтезування апертури (СА) - метод обробки сигналів, що дозволяє істотно підвищити поперечну лінійну роздільну здатність радіолокатора щодо направлення ДНА і поліпшити детальність радіолокаційного зображення місцевості. Використовується СА для отримання радіолокаційної карти (при картографуванні), розвідці льодової обстановки і в інших ситуаціях. За якістю і детальності такі карти можна порівняти з аерофотознімків, але на відміну від останніх можуть бути отримані під час відсутності оптичної видимості земної поверхні (при польоті над хмарами і вночі).

14.1. Принцип дії і пристрій РЛС з СА

Детальність радіолокаційного зображення залежить від лінійної роздільної здатності радіолокатора. При використанні полярних координат роздільна здатність по дальності (радіальна роздільна здатність) визначається параметрами зондуючого сигналу, а в поперечному напрямку (тангенціальна роздільна здатність) шириною ДНА радіолокатора і відстанню до цілі (рис. 14.1). Детальність радіолокаційного зображення місцевості тим вище, чим менше тобто вона залежить від величини (площі) елемента дозволу.

Мал. 14.1. Параметри, що характеризують детальність радіолокаційного зображення

Оскільки завдання зменшення вирішується використанням зондувальних сигналів з малою тривалістю імпульсів або переходом до складних сигналів (частотно-модульованим або фазо-маніпулювали). Зменшення вимагає використання вузьких ДНА, так як пропорційна ширині ДНА, а (до - довжина хвилі; довжина антени), яка не може бути більше поздовжнього розміру (довжини) літального апарату. Основний шлях підвищення тангенциальной роздільної здатності - застосування в радіолокаторах методу синтезування

апертури антени при русі ЛА. Найчастіше РЛС з СА використовують в так званих радіолокаторах бокового огляду (рис. 14.2).

У радіолокаторах, у яких антена розміщена вздовж фюзеляжу, і вона тим вище, чим більше поздовжній розмір фюзеляжу ЛА. Оскільки конструктивно обмежує розмір внутрішньої антени то і детальність зображення в радіолокаторах з уздовж фюзеляжного антенами поліпшується, хоча залежність від дальності зберігається.

Більш радикальний шлях приводить до радіолокатора з синтезом апертури (РСА) при поступальному русі ЛА.

Мал. 14.2. Діаграми спрямованості радіолокатора бокового огляду

Принцип синтезування апертури.Нехай лінійна ФАР розміром (апертурою) (рис. 14.3, а) складається з випромінювачів. Підсумовуючи прийняті облучателями сигнали, можна в кожен момент часу отримувати діаграму ФАР з шириною Якщо для забезпечення заданої потрібно можна синтезувати ФАР, послідовно переміщаючи один випромінювач (антену) уздовж цієї апертури з деякою швидкістю V, приймаючи відбиті від мети сигнали, запам'ятовуючи їх, а потім спільно обробляючи (рис. 14.3, б). При цьому синтезується апертура лінійної антени з ефективним розміром і

ДНА шириною проте збільшуються витрати часу на синтезування і ускладнюється апаратура радіолокатора.

Нехай ЛА рухається на деякій висоті з постійною швидкістю V прямолінійно і паралельно земної поверхні (рис. 14.4).

Мал. (4.3. Фазовані антенні грати (а) і схема синтезування апертури при переміщенні випромінювача (б)

Антена, що має ДНА шириною і повернена на 90 ° до лінії шляху, послідовно проходить ряд положень в яких приймає сигнали, відбиті від мети, що знаходиться в точці на земній поверхні. При різних положеннях антени (різних) сигнали від однієї і тієї ж точки проходять різні відстані що призводить до зміни фазових зрушень цих сигналів, що викликаються різницею ходу Оскільки сигнал проходить двічі (в напрямку мети і від неї), два сигнали, прийняті при сусідніх положеннях антени , відрізняються по фазі на

Залежно від того, компенсуються чи ні при обробці прийнятих сигналів фазові набіги (утворюються на відрізках розрізняють фокусовані і нефокусірованние РСА. У першому випадку обробка зводиться до переміщення антен, запам'ятовування сигналів, компенсації фазових набігів і підсумовування сигналів (див. Рис. А в другому - до тих же операцій, але без компенсації фазових набігів.

Мал. 14.4. Поява фазових зрушень в процесі прямолінійного руху ЛА при синтезі апертури

Тангенціальна роздільна здатність РСА.Нефокусірованная обробка забезпечує складання сигналів V, при різниці фаз сигналів з крайніх і центрального елементів апертури Якщо покласти то максимальне значення складе З рис. 14.4 слід тому, якщо то

Таким чином, при підсумовуванні сигналів на ділянці траєкторії, що дорівнює ширина синтезованої ДНА складе

При цьому тангенціальна роздільна здатність а при довільному відстані до мети (рис. 14.5).

Мал. 14.5. Залежність тангенциальной роздільної здатності від дальності в звичайному радіолокаторі (1), в пефокусірованном РЛ з СА (2) і в фокусированном РЛ з СА (3)

При сфокусоване обробці сигнали підсумовуються на ділянці змішування реальної встановленої на ЛА антени, на якому опромінюється знаходиться в точці мета:

У цьому випадку ширина синтезованої ДНА

а тангенціальна роздільна здатність

Структурна схема РСА.Основу РСА становлять когерентно-імпульсні радіолокатори, побудовані за схемою з внутрішньої когерентністю (рис. 14.6).

Когерентний генератор (КГ) на частоті служить для формування в односмуговому модуляторе зондуючого сигналу з частотою Джерелом коливань з частотою є генератор радіочастоти (ГРЧ). Зондувальний сигнал модулюється імпульсної послідовністю з модулятора Підсилювач потужності (УМ) являє собою крайовий каскад передавача. Обробка сигналів (запам'ятовування, компенсація фаз, підсумовування) зазвичай виконується комплексними цифровими фільтрами на низькій частоті, тому в схемі передбачають квадратурні канали, кожен з яких починається з відповідного фазового детектора. Джерелом опорного напруги для фазових детекторів служить когерентний гетеродин (КГ). Сигнали квадратурних каналів (зберігають інформацію про фазі) подаються або на пристрій запису або на пристрій цифрової обробки в реальному масштабі часу (УТОС). При аналогової обробки сигналів в РЛС з СА інформація з виходів квадратурних фазових детекторів подається в спеціальний пристрій для запису, наприклад, в оптичний пристрій запису на фотоплівку зображення з екрану електронно трубки, модульованого за яскравістю

Мал. 14.6. Структурна схема радіолокатора з синтезом апертури

світіння плями. Обробка і наступне поширення iнформацiї відбуваються пізніше, після обробки плівки з запізненням у часі (не в реальному масштабі часу).

При цифровій обробці сигналів результуюча інформація виходить відразу в процесі обробки в реальному масштабі часу.

Принципи обробки сигналів в РСА.При будь-якому вигляді обробки необхідно запам'ятовування кадру інформації про сигнали цілей.

Розміри кадру задаються по азимуту ефективним значенням синтезується апертури і по дальності (рис. 14.7, а).

Оскільки прийняті при кожному положенні антени сигнали надходять на вхід приймача з переглядається дистанції послідовно в часі, записуються вони також послідовно в кожен з азимутальних каналів, що умовно показано стрілками на рис. 14.7, б. При цьому формується відповідний ділянці місцевості кадр зображення з розмірами Отримати інформацію про кутове положення цілі, тобто про координаті х, при синтезі апертури можна тільки при аналізі відбитих від цієї мети сигналів, записаних на інтервалі синтезування Тому інформація з пристрою запису зчитується послідовно в кожному з каналів дальності (рис. 14.7, в).

Мал. 14.7. Запам'ятовується кадр місцевості (а): діаграми записи (б) і зчитування (в) сітапов

Сигнал, що обробляється в РСА.Нехай радіолокатор працює в імпульсному режимі. Тоді за період повторення антена зміщується на відрізок

Для виключення пропуску цілі при такому зміщенні антени вимагатимемо щоб на рис. 14.8. При цьому формується відповідний ділянці місцевості кадр зображення з розмірами і Отримати інформацію про кутове положення цілі, тобто про координаті х, при синтезі апертури можна тільки при аналізі відбитих від цієї мети сигналів, записаних на інтервалі синтезування Тому інформація з пристрою запису зчитується послідовно в кожному з каналів дальності (див. рис. 14.7, а). Припустимо тепер, що нерухомий, а мета

Мал. 14.8. Кінематика взаємного змішування і точкової мети

рухається щодо нього з тією ж швидкістю V (рис. 14.9, а). Починаючи відлік часу з моменту проходу метою (точка М) середини апертури і вважаючи маємо

При проході мети через діаграму спрямованості доплеровській зрушення частоти (рис. І фаза (рис. 14.9, в) змінюються за законами:

Відзначимо, що коефіцієнти при постійних в польоті "до і V залежать від отже, обробка сигналів багатоканальних по дальності.

Комплексну амплітуду відбитих сигналів при синтезі апертури можна представити у вигляді

Мал. 14.9. Схема формування вектора радіальної швидкості (а); характер зміни доплеровской частоти (б) і фази (в) сигналу при прольоті мети

В імпульсному радіолокаторі сигнал приходить в дискретні моменти часу, тому Тоді

Дискретні складові сигналу (14.4) необхідно запам'ятати на інтервалі часу, де

Алгоритми обробки сигналу в РСА.Для оптимальної обробки сигналу (14.4) необхідний фільтр з імпульсною перехідною характеристикою

Проблема радикального підвищення роздільної здатності в напрямку, перпендикулярному осі ДНА, особливо актуальна для РЛС огляду поверхні під літальним або космічним апаратом, оскільки в напрямку осі ДНА досяжно дуже високий дозвіл при відповідному розширенні спектра сигналу РЛС. Якщо випромінювання антени направлено перпендикулярно вектору швидкості РЛС, т. Е. Здійснюється бічний огляд, то переміщення антени щодо опромінюваної поверхні дозволяє отримати при оптимальній обробці відбитих сигналів дуже високий дозвіл і в напрямку, перпендикулярному осі ДНА. Таким чином вирішується завдання отримання радіолокаційного зображення високої чіткості.

Підвищення дозволу при бічному огляді можна розглядати як результат стиснення ДНА при оптимальній обробці (аналогічно стисненню імпульсу з внутрішньо-пульсної модуляцією) або як формування діаграми синтезованої антенною решіткою, що утворюється при переміщенні антени РЛС щодо опромінюваної поверхні.

Розглянемо принцип дії і потенційні можливості літакової РЛС бокового огляду. Антена станції витягнута уздовж осі літака і формує ДНА, вузьку в горизонтальній і широку у вертикальній площині, орієнтовану перпендикулярно осі літака. Зазвичай створюються дві ідентичних ДНА по обидва боки осі літака, що в даному випадку несуттєво.

При довжині хвилі випромінюваних РЛС коливань і поздовжньому розмірі антени ширина ДНА в горизонтальній площині. Вважаючи для простоти випромінювання обмеженим в горизонтальній площині кутом, знайдемо час опромінення точки поверхні на відстані D від РЛС:

де - швидкість літака, яка вважається постійною; - лінійна ширина ДНА на відстані D від РЛС. Радіальна складова швидкості щодо точок опромінюваної поверхні (рис. 18.7, а), де - кут між віссю ДНА в горизонтальній площині і напрямком на розглянуту точку. Таким чином, на осі ДНА, а на краях досягає максимального значення. Так як в РЛС бокового огляду застосовуються вузькі ДНА, то можна вважати. За рахунок радіальної складової швидкості виникає доплсровскій зрушення частоти відбитого сигналу, що змінюється за лінійним законом від до. Таким чином, при прольоті відстані приймається частотно-модульований імпульс тривалістю (рис. 18.7, б) з девіацією частоти.

При оптимальної узгодженої обробці такий імпульс може бути стиснутий до імпульсу тривалістю, зворотної ширині спектра сигналу і наближено дорівнює. Отже,. Так як, то. Зауважимо, що на виході стискає фільтра огинає імпульсу має форму і його тривалість (вимірюється на рівні 0,64 максимального значення) визначає граничний дозвіл за часом, яке відповідає відстані, разрешаемому в напрямку вектора V, перпендикулярному осі ДНА.

Отже, при когерентної обробки разрешаемое відстань не залежить від дальності і обмежена значенням, рівним. Цей висновок, спочатку здається парадоксальним, стає зрозумілим при аналізі роздільної здатності РЛС бокового огляду з точки зору синтезування розкриття.

Якщо все відбиті сигнали протягом когерентно (т. Е. З урахуванням фази) підсумувати, то можна сформувати (синтезувати) ДНА шириною

причому коефіцієнт 2 враховує набіг фази при проходженні сигналом відстані D «туди і назад».

Разрешаемое у напрямку польоту (перпендикулярно осі ДНА) відстань

Відрізок шляху L, на якому проводиться когерентне підсумовування відбитих сигналів, визначає розмір синтезованого розкриття, так як таке підсумовування аналогічно прийому сигналу на сннфазную антену з розміром розкриву, рівним. Звідси стає ясно, чому разрешаемое відстань знижується, т. Е. Здатність зростає при зменшенні розкриття реальної антени і не залежить від D. Це пояснюється збільшенням синтезованого розкриття прямо пропорційно ширині ДНА РЛС і дальності розглянутої точки.

Однак зі збільшенням зростають і проблеми забезпечення когерентності при обробці сигналів. Тому антени РЛС бокового огляду для отримання малих значень повинні мати значні розміри розкриву, що дозволяє реалізувати когерентну обробку, що забезпечує наближення до потенційної роздільної здатності системи з синтезованим розкривом, яка визначається формулою (18.27).

При переході від безперервного сигналу до імпульсного з періодом синтезована антена аналогічна антеною решітці, відстані між елементами якої рівні. У РЛС бокового огляду зазвичай застосовується імпульсне випромінювання, тому такі РЛС називають станціями з синтезованою антенною решіткою.

З випромінюванням кожного імпульсу антена РЛС стає елементом синтезованої решітки, дальність якої від даної точки поверхні дорівнює найкоротшій відстані (рис. 18.7, а) тільки в той момент, коли розглянута точка виявляється на осі ДНА. На краях синтезованої решітки відстань відрізняється від на

Цією різниці відстаней відповідає максимальна Азов затримка сигналу. Якщо в процесі польоту змінюються фазові затримки фіксуються і враховуються при обробці, то синтезовані решітки називаються фокусуватися. Система обробки сигналу в цьому випадку виходить складною, тому необхідно з'ясувати, до яких втрат роздільної здатності призводить відмова від «фокусування», т. Е. Перехід до нефокусірованной обробці без урахування фазових зрушень. В цьому випадку допустима різниця ходу на кінцях синтезованого розкриття, що відповідає максимальному фазового зсуву. З цієї умови можна знайти розмір ефективного розкриття синтезованої антени. З рис. 18.7, в видно, що і, отже,

Таким чином, при відсутності фокусування ширина ДНА синтезованого розкриття розміром, а відповідне лінійне дозвіл

Для обробки сигналу без корекції (фокусування) придатний звичайний експонентний накопичувач з лінією затримки на період повторення імпульсів. Ясно, що назви сфокусована і сірованная системи з'явилися за аналогією з оптичною системою, в якій при повністю відкритій діафрагмі необхідна фокусування об'єктива (наводка на різкість).

При сильному діафрагмуванні достатня чіткість (різкість) забезпечується без фокусування при постійній установці об'єктиву на нескінченність.

Отже, при сфокусоване обробці сигналу (сфокусований розкривши) досяжно максимальне лінійне дозвіл в напрямку, перпендикулярному ДНА, незалежно від дальності при нефокусі-рова обробці (нефокусірованний розкривши) для звичайної антени з розміром розкриву дозвіл.

Залежність роздільної здатності від дальності D для цих випадків представлена ​​на рис. 18.8.

Таким чином, для повної реалізації потенційних можливостей синтезованої антени необхідна обробка сигналу з внесенням фазових поправок відповідно до положення даної точки щодо антени РЛС. В імпульсних РЛС сигнал повторюється з періодом і поправки вводяться дискретно в моменти часу, відлічувані від часу прийому середнього імпульсу, відбитого в той момент часу, коли дана точка знаходиться на траверсі пролітає літака.

Погоджений фільтр для сигналу точкової мети при відомій дальності і швидкості РЛС щодо мети відповідає схемі когерентного фільтра для пачки імпульсів, при цьому амплітуди імпульсів множаться на вагові коефіцієнти і зміщуються по фазі на значення поправки. Така обробка (фокусування) потрібно для кожного елемента дальності, т. Е. Необхідний фільтр для кожної дальності (дискретність залежить від роздільної здатності по дальності, яка визначається шириною спектра сигналу), причому параметри фільтра повинні змінюватися при зміні швидкості переміщення РЛС.

Вимоги до пристрою обробки задаються насамперед часом синтезування, рівним в сфокусованих системах. Так, при швидкості літака, заданому дозволі на дальності при роботі РЛС на хвилі необхідний розмір синтезованої апертури. В цьому випадку . При частоті повторення імпульсів число сумміруемих при обробці сигналів для кожного елемента дальності, число яких в смузі огляду по дальності може досягати. Число рівнів квантування визначає розрядність пристрою обробки. Таким чином, загальний обсяг оброблюваної інформації. При наявності квадратурних каналів значення подвоюється і має порядок 108 біт. З урахуванням корекції фази в кожному періоді повторення требумое швидкодію обробки в подібних системах досягає.

Незважаючи на відносну складність, цифрова реалізація пристроїв обробки при використанні сучасної елементної бази можлива, особливо при здійсненні обробки на відеочастоті. Перевагою цифрової обробки є можливість отримання зображення місцевості під літаком або супутником в реальному часі.

Якщо допустима затримка при отриманні зображення (наприклад, при картографуванні), то доцільно застосовувати оптичні методи обробки сигналів при синтезі розкриття, оскільки оптичні пристрої забезпечують багатоканальну когерентну обробку сигналів відразу для всіх елементів дальності.

Принцип обробки полягає в наступному. Прийняті сигнали фіксуються на фотоплівці, простягається зі швидкістю, пропорційною швидкості літака V, при цьому рядки дальності розташовуються поперек плівки. На певній відстані від початку кожного рядка, пропорційному дальності розглянутої точки D, записуються відбиті сигнали протягом часу запис в поздовжньому напрямку (вздовж плівки) у відповідному масштабі передає розподіл сигналів уздовж синтезованого розкриття.

Після прояви (час прояву і визначає затримку в обробці) плівка простягається перед вікном оптичного пристрою, одночасно опромінюючись однорідним когерентним світловим пучком. Плоска світлова хвиля, проходячи через плівку, модулюється по амплітуді і фазі записаним сигналом. Розміри плями, отриманого на оптичному екрані або інший фотоплівці на виході оптичного фільтра, відповідають ширині діаграми спрямованості синтезованої антени, яка в багато разів менше ширини діаграми спрямованості реальної антени. Підбором параметрів елементів (лінз) оптичного фільтра можна забезпечити когерентну обробку і отримати високу чіткість синтезованого радіолокаційного зображення. Саме за допомогою РЛС бокового огляду з синтезуванням розкриття, розташованої на штучному супутнику Венери, радянським дослідникам вдалося отримати чітке радіолокаційне зображення цієї планети, закритою для оптичного спостереження.

Апертурная СИНТЕЗ, метод отримання високого кутового дозволу за допомогою синтезу результатів вимірювань, які виконуються радіоінтерферометром, що складається з двох малих апертур, що переміщаються в межах великої апертури, і кореляційного (перемножуємо) приймача. Результат вимірювання методом апертурного синтезу аналогічний вимірам з антеною великий апертури. При апертурному синтезі виконується велика кількість вимірювань при різних положеннях елементів і результати підсумовуються з певними вагами і фазами.

Метод апертурного синтезу запропонований в 1952 році М. Райлі, що досліджували з його допомогою Радіоструктура галактик. У 1974 році Райл спільно з Е. Хьюишем були удостоєні Нобелівської премії «за новаторські дослідження в астрофізика». Найбільшого поширення апертурний синтез отримав в радіоастрономії і радіолокації. В радіоастрономії апертурний синтез використовується в зв'язку з завданнями дослідження кутового розподілу інтенсивності випромінювання радиоисточника з тонкою структурою від кутових хвилин до часткою секунд. Для таких досліджень потрібні антени з відношенням d / λ (d - лінійний розмір апертури, λ - довжина хвилі) порядку 10 3 -10 6, тому для сантиметрового діапазону радіохвиль d має бути порядку сотень метрів і більше. Природно, звичайні антени з такою апертурою створити неможливо, тому апертуру «синтезують», проводячи вимірювання в окремих точках, розташованих усередині цієї синтезованої апертури, і виконуючи відповідну обробку вимірювань. В результаті досягається висока кутовий дозвіл.

При використанні методу апертурного синтезу велика антена розбивається на N елементів. Падаючі хвилі, відбившись від кожного елемента, потрапляють у фокус антени в фазі. Тому високочастотну напругу V (t) в фокусі може бути записано у вигляді суми складових ΔV i (t) від окремий елементів:

Потужність Р на виході приймача великої антени пропорційна середньому значенню квадрата напруги:

З формули (2) видно, що результат вимірювань містить складові, які залежать від сигналів, які надходять тільки від пар елементів. Кожне складова може бути виміряна за допомогою двох малих антен розміром, рівним елементу апертури, що знаходяться в положеннях i і k, і кореляційного (перемножуємо) приймача. Якщо спостережуваний ділянку неба не містить змінних джерел, то такий інтерферометр можна використовувати для послідовного вимірювання членів ряду (2).

Відрізок лінії схід-захід на поверхні Землі, видимий з боку віддаленого джерела, за 12 год повертається на 180 °. Якщо всі елементи антеною решітки на цьому відрізку стежать за джерелом, то за 12 год можна синтезувати круглу апертуру в площині, перпендикулярній осі обертання Землі, з діаметром, рівним довжині відрізка. Ширина синтезованої діаграми в будь-якому напрямку обернено пропорційна проекції апертури на цей напрямок. Погіршення роздільної здатності в напрямках, близьких до площини екватора, усувається при використанні Т-образної антеною решітки з відрізками, орієнтованими в напрямках схід-захід і північ-південь (рис.).

Сучасні системи апертурного синтезу складаються з великого числа повноповоротних антен і одночасно діючих незалежних кореляційних интерферометров, що значно скорочує час спостережень. Обертаючись разом із Землею, кожен интерферометр вимірює велике число доданків ряду (2). Для багатоелементних интерферометров метод апертурного синтезу дозволяє синтезувати промінь з такою шириною, яка може бути отримана з апертурою, що має розміри, порівнянні з розмірами антеною решітки.

Для більш повного вилучення інформації з результатів вимірювань використовуються апріорні відомості про яскравість неба. Така апріорна інформація дозволяє застосовувати системи далеко рознесених антен, а також будувати карти неба, використовуючи тільки амплітудні вимірювання, коли відомості про фазі ненадійні або відсутні.

Перші роботи з використанням для апертурного синтезу невеликих рухомих антен були виконані в Кембриджі (Великобританія) в 1954 році. У Сіднеї (Австралія) в 1956 році вперше використовувалося обертання Землі для синтезу двовимірної решітки за допомогою лінійної. Найбільш відома система апертурного синтезу - антенна решітка VLA (Very Large Array) в штаті Нью-Мексико (США), завершена в 1981 році. Вона складається з 27 повноповоротних параболоїдів діаметром 25 м кожен, які можуть переміщатися уздовж трьох 21-кілометрових рейкових шляхів, прокладених у вигляді літери Y. Кутовий дозвіл цієї системи на довжині хвилі 1,3 см становить 0,05 ".

Метод апертурного синтезу використовується також в інтерферометрах, утворених антенами, рознесеними на сотні і тисячі кілометрів (радіоінтерферометри з наддовгими базами). Це дозволяє синтезувати апертури, які можна порівняти з розмірами Землі, і отримувати кутовий дозвіл порядку 0,001 ", що набагато перевершує досягнуте в оптичній астрономії. У перспективі - створення апертур Земля-космос, частина елементів яких буде розміщена на космічних апаратах (проект« Радіоастрон », Росія) .

Літ .: Kraus J.D. Radio astronomy. 2nd ed. Powell, 1986; Хрістіансен У., Хёгбом І. Радіотелескопи. М., 1988.

Кутова роздільна здатність - найважливіша характеристика будь-телескопічною системи. Оптика стверджує, що цей дозвіл однозначно пов'язане з довжиною хвилі, на якій здійснюється спостереження, і з діаметром вхідної апертури телескопа. З великими діаметрами, як відомо, велика проблема. Навряд чи коли-небудь буде побудований телескоп більше цього.
Одним із способів значного збільшення роздільної здатності є застосовуваний в радіоастрономії і радіолокації метод синтезування великих і надвеликих апертур. У міліметровому діапазоні найбільшу апертуру - 14 км - обіцяють формувати 66-ю антенами проекту ALMA в Чилі.

Перенесення методів апертурного синтезу в оптичну область, де довжини хвиль на кілька порядків менше, ніж у радіолокаторів, пов'язаний з розвитком техніки лазерного гетеродінірованія.

1.Фізичні основи формування зображень.

Не буде помилкою сказати, що зображення в будь-якому оптичному пристрої формується дифракцией світла на вхідний апертурі, і більш нічим. Подивимося на зображення об'єкта з центру апертури. Кутовий розподіл яскравості зображення нескінченно віддаленого точкового джерела світла (як, втім, і будь-якого іншого) буде однаково для лінзи і камери-обскури рівного діаметра. Відмінність лінзи від обскури полягає лише в тому, що лінза переносить формується своєї апертурою зображення з нескінченності в свою фокальній площині. Або, інакше кажучи, виробляє фазовий перетворення вхідного плоского хвильового фронту в сферично сходиться. Для віддаленого точкового джерела і круглої апертури зображення - це всім відома картина Ейрі з кільцями.


Кутовий розмір диска Ейрі можна в принципі зменшити і начебто збільшити дозвіл (по релєєвського критерієм), якщо задіафрагміровать апертуру спеціальним чином. Існує такий розподіл пропускання по радіусу, при якому центральний диск теоретично можна зробити довільно малим. Однак при цьому світлова енергія перерозподіляється по кільцях і контраст складного зображення падає до нуля.

З математичної точки зору процедура формування дифракційного зображення зводиться до двовимірним перетворенню Фур'є від вхідного світлового поля (в скалярному наближенні поле описується комплексною функцією координат і часу). Будь-яке зображення, реєстроване оком, екраном, матрицею або іншим квадратичним за інтенсивністю приймачем - не що інше, як двомірний амплітудний спектр обмеженого апертурою світлового поля, що випускається об'єктом. Легко отримати ту ж саму картинку Ейрі, якщо взяти квадратну матрицю з однакових комплексних чисел (імітують плоский хвильовий фронт від віддаленої точки), «вирізати» з неї круглу «апертуру», обнулила краю, і зробити Фур'є-перетворення всієї матриці.

Коротше кажучи, якщо якимось чином записати поле (синтезувати апертуру) на досить великій області без втрати амплітудної і фазової інформації, то для отримання зображення можна обійтися без гігантських дзеркал сучасних телескопів і мегапіксельних матриць, просто обчислюючи Фур'є-образ отриманого масиву даних.

2. Локація супутників і сверхразрешеніе.

Будемо спостерігати рухається поперек променя зору стабілізований об'єкт, підсвічений безперервним когерентним лазерним джерелом. Реєстрація відбитого від нього випромінювання проводиться гетеродинним фотоприймачем з невеликою апертурою. Запис сигналу протягом часу t еквівалентна реалізації одновимірної апертури довжиною vt, де v - тангенціальна швидкість руху об'єкта. Легко оцінити потенційну роздільну здатність такого методу. Подивимося на навколоземний супутник у верхній елонгації, що летить на висоті 500 км зі швидкістю 8 км / сек. За 0,1 секунди запису сигналу отримаємо «одновимірний телескоп» розміром 800 метрів, теоретично здатний розглянути в видимому діапазоні деталі супутника величиною в долі міліметра. Непогано для такого відстані.

Зрозуміло, відбитий сигнал на таких відстанях слабшає на багато порядків. Однак гетеродинний прийом (когерентне змішування з опорним випромінюванням) в значній мірі компенсує це ослаблення. Адже, як відомо, вихідний фототок приймача в цьому випадку пропорційний твору амплітуд опорного випромінювання і приходить сигналу. Будемо збільшувати частку опорного випромінювання і тим самим посилювати весь сигнал.

Можна подивитися з іншого боку. Спектр записаного сигналу з фотоприймача представляє собою набір доплеровских компонент, кожна з яких є сума вкладів від всіх точок об'єкта, які мають однакову променеву швидкість. Одномірне розподіл відображають точок на об'єкті визначає розподіл спектральних ліній по частоті. Отриманий спектр і є по суті одновимірним «зображенням» об'єкта з координування «доплеровській зрушення». Дві точки нашого супутника, розташовані на відстані 1 мм один від одного в площині, перпендикулярній променю зору, мають різницю променевих швидкостей порядку 0,01-0,02 мм / сек. (Відношення цієї різниці до швидкості супутника дорівнює відношенню відстані між точками до відстані до супутника). Різниця доплеровских частот цих точок для видимої довжини хвилі 0,5 мк складе (f = 2V / λ) близько 100 Гц. Спектр (доплеровское зображення) від всього мікросупутника, скажімо, розміром 10 см, вкладеться в діапазон 10 кГц. Цілком измеримая величина.

Можна подивитися і з третьої сторони. Ця технологія являє собою не що інше, як запис голограми, тобто інтерференційної картини, що виникає при змішуванні опорного і сигнального полів. Вона містить в собі амплитудную і фазову інформацію, достатню для відновлення повного зображення об'єкта.

Таким чином, підсвічуючи супутник лазером, реєструючи відбитий сигнал і змішуючи його з опорним променем від того ж лазера, отримаємо на фотоприемнике фототок, залежність якого від часу відображає структуру світлового поля уздовж «одновимірної апертури», довжину якої, як уже було сказано, можна зробити досить великий.

Двомірна апертура, звичайно, набагато краще і інформативніше. Розставимо рівномірно кілька фотоприймачів поперек руху супутника і запишемо таким чином відбите поле на площі vt * L, де L - відстань між крайніми фотоприймачами, яке в принципі нічим не обмежена. Наприклад, ті ж 800 метрів. Тим самим ми синтезуємо апертуру «двомірного телескопа» розміром 800 * 800 метрів. Дозвіл по поперечної координаті (L) буде залежати від кількості фотоприймачів і відстані між ними, за іншою, «тимчасової» координаті (vt) - від ширини смуги випромінювання лазера і частоти оцифровки сигналу з фотоприймача.

Отже, ми маємо записане світлове поле на дуже великій площі і можемо робити з ним все, що завгодно. Наприклад, отримати двомірне зображення дуже маленьких об'єктів на дуже великій відстані без всяких телескопів. Або можна відновити тривимірну структуру об'єкта шляхом цифрової перефокусировки по дальності.

Зрозуміло, реальна тривимірна конфігурація відображають точок на об'єкті не завжди збігається з їх «доплеровским» розподілом за променевими швидкостями. Збіг буде, якщо ці точки знаходяться в одній площині. Але і в загальному випадку з «доплерівського зображення» можна отримати багато корисної інформації.

3. Що було раніше.

Американська DARPA деякий час назад фінансувала програму, суть якої полягала в реалізації подібної технології. Передбачалося з літака лоціювати з надвисоким дозволом об'єкти на землі (танки, наприклад), були отримані деякі обнадійливі дані. Однак цю програму чи то закрили, то чи засекретили в 2007 році і з тих пір про неї нічого не чути. У Росії теж дещо робилося. Ось можна подивитися картинку, отриману на довжині хвилі 10,6 мк.

4.Трудності технічної реалізації на довжині хвилі 1,5 мк.

По зрілому міркуванні я вирішив тут нічого не писати. Занадто багато проблем.

5. Деякі первинні результати.

Поки насилу вдалося «розглянути» з відстані 300 метрів деталі плоского дифузно відображає металевого об'єкта розміром 6 на 3 мм. Це був шматочок якоїсь друкованої плати, ось фотка:


Об'єкт обертався навколо осі, перпендикулярної променю зору, реєстрація відбитого сигналу відбувалася приблизно в момент максимального відображення (відблиску). Пляма від лазера, що висвітлює об'єкт, мало розмір близько 2 см. Використовувалися всього 4 фотоприймача, рознесені на 0,5 метра. Розмір синтезованої апертури оцінюється величиною 0,5 м на 10 м.
Власне, про всяк випадок самі записані сигнали (зліва) і їх спектри (праворуч) у відносних одиницях:


З попередньої фотки об'єкта фотошопом виділені тільки цікавлять нас освітлювані і відображають ділянки, які потрібно побачити:


Зображення, відновлене двомірним Фур'є-перетворенням з 4 сигналів і смасштабірованное для порівняння:


Ця картинка взагалі-то складається всього з 4 рядків (і близько 300 стовпців), вертикальне дозвіл зображення, відповідно, близько 0,5 мм, однак темний куточок і обидві круглі дірки ніби як видно. Горизонтальна роздільна здатність - 0,2 мм, така ширина струмопровідних доріжок на платі, видно все п'ять штук. (Звичайний телескоп повинен бути двометрового діаметру, щоб побачити їх в ближньому ІЧ).

По правді кажучи, отриманий дозвіл поки далеко від теоретичної межі, так що непогано б довести до розуму цю технологію. Диявол, як відомо, криється в деталях, а деталей тут дуже багато.

Дякуємо за увагу.

17.РАДІОЛОКАЦІОННИЕ СТАНЦІЇ З синтезованою апертурою антени (РСА)

Радіолокатори з довгою вдольфюзеляжной антеною дозволяють отримувати детальні радіолокаційні зображення тільки на відносно невеликих відстанях. При винесенні смуги розвідки на десятки кілометрів від літака необхідно використовувати антени довжиною в десятки і сотні метрів, розміщення яких на літаку неможливо.

Для подолання цього утруднення використовується метод синтезування апертури антени, що полягає в запам'ятовуванні відбитих від цілей сигналів на ділянці траєкторії польоту, довжина якого дорівнює необхідної довжині антени. Подальша обробка зареєстрованих сигналів в бортовий або наземної апаратури дозволяє отримати радіолокаційне зображення з високою детальністю.

В Нині найбільшого поширення набули оптичні системи обробки. В їх основі лежить голографічний метод, при якому записані на плівку радіолокаційні сигнали (радіоголограм) використовуються для формування радіолокаційного зображення.

В РСА принцип голографії використовується як при реєстрації відбитих радіохвиль, так і в оптичних пристроях ООС.

Опорна хвиля, проходячи через голограму, створює зображення об'єкта точно в тому місці, де він перебував у момент запису голограми. зображення

(Точки) не точковим, а дещо розмитим. Розмір плями δ x, що визначає детальність створюваного зображення, можна знайти з виразу, що має такий вигляд:

δ x = λ R / X;

де λ - довжина опромінюючої хвилі; R - Відстань від голограми до об'єкта; X - лінійний розмір голограми.

Сформулюємо основні особливості голографічного процесу:

- необхідна наявність когерентних опорної і сигнальної хвиль;

- в процесі голографирования відбувається перекодування амплітуднофазового розподілу поля сигнальної хвилі в амплітудне розподіл сигналу і реєстрація цього сигналу у вигляді голограми (інтерференційної картини);

- для відновлення зображення необхідно опромінити голограму опорною хвилею.

Глограмми мають ряд цікавих властивостей. Одне з них полягає в можливості зміни масштабу ізображенія.Еслі одночасно змінити в одне і те ж число раз лінійний розмір голограми і довжину хвилі, що відновлює зображення пучка світла, то в відповідне число раз

зміниться і масштаб створюваного зображення. Якщо зміни довжини хвилі і масштабу голограми непропорційні, то зображення також буде сформовано, проте в ньому виникнуть масштабні спотворення. У багатьох практичних застосуваннях ці спотворення не відіграють істотної ролі.

Це властивість дозволяє записувати голограми на одній довжині хвилі, наприклад в радіодіапазоні, а відновлювати хвильовий фронт і спостерігати зображення на іншій хвилі, в оптичному діапазоні.

Розглянемо радіолокаційну систему бічного огляду, встановлену на борту літака, як показано на ріс.17.1. Припустимо, що послідовність імпульсних радіолокаційних сигналів спрямована на місцевість від радарної сістемиу на літаку і що відбиті сигнали, що залежать від відбивної здатності місцевості, приймаються з майданчика, прилеглої до курсу літака. Назвемо координату радіолокаційного зображення, поперечну напрямку польоту, "дальністю", а збігається з трасою польоту - "азимутом". Зручно також назвати координату, що сполучає траєкторію радіолокатора на літаку з будь розглянутої метою, "похилій дальністю". Якщо використовується радіолокаційна система звичайного типу, то дозвіл по азимуту буде мати величину порядку λ r1 / D, де λ - довжина хвилі радіолокаційних сигналів, r1 - похила дальність, D - розмір апертури антени уздовж траси польоту. Однак довжина хвилі радіолокаційного сигналу на кілька порядків більше оптичної хвилі і, отже, для того, щоб отримати кутовий дозвіл, порівнянне з дозволом системи фоторозвідки, потрібно дуже велика величина апертури антени D. Необхідна довжина антени може становити десятки і навіть сотні метрів. Очевидно, що на літаку це важко реалізувати.

Однак це складне становище можна подолати, застосовуючи метод синтезованої апертури. Основний принцип синтезування апертури полягає в тому, що різні елементи решітки не обов'язково повинні існувати одночасно в просторі. Припустимо, що на літаку встановлена ​​маленька антена бічного огляду і що відносно широкий промінь радара сканує місцевість за рахунок руху літака. Положення літака, в яких випромінюються радіолокаційні імпульси, можна розглядати як елементи лінійної антеною решітки. Тоді приймається сигнал в кожному з цих положень реєструється когерентно як функція часу, оскільки на радіолокаційний приймач подається опорний сигнал, що дозволяє одночасно реєструвати і амплитудную, і фазову інформацію. Потім різні записані комплексні хвилі відповідним чином обробляються для синтезу дійсної апертури.

Щоб вивчити більш детально, як реалізується цей метод синтезування антени, розглянемо спочатку завдання з точковою метою і потім поширимо отримані результати методом суперпозиції на більш складний випадок. Припустимо, що точкова мета знаходиться в точці x1.

Радіолокаційний імпульс формується шляхом періодичної прямокутної модуляції синусоїдального сигналу з кутовою частотою рівною ω.

Азимут Область огляду

де A1 - відповідна комплексна постійна. Комплексна величина A1 включає такі чинники, як випромінюється потужність, відбивна здатність мети, фазовий зсув і закон поширення (обернено пропорційно четвертого ступеня потужності). Скориставшись параксіальної наближенням, дальність r можна записати так:

де k = 2π / λ. Вираз (17.3) залежить від t і x, причому просторові і тимчасові змінні пов'язані між собою співвідношенням

де v - швидкість літака. Якщо тепер припустимо, що місцевість на відстані r1 складається з набору n точкових цілей, то, скориставшись методом суперпозиції, запишемо повний відбитий сигнал у вигляді

S (t) = Σ An (xn, r1) exp (i [ω t-2kr1 -k (vt-xn) 2 / r1]). (17.5) n = 1

Якщо відбитий радіолокаційний сигнал, описується (17.5), демодулируется за допомогою синхронного детектора, то демодулірованний сигнал можна записати так:

S (t) = Σ An (xn, r1) cos [ω c t-2kr1 -k (vt-xn) 2 / r1 + φ n], (17.6) n = 1

де ω c - довільна несуча частота, а φ n - довільний фазовий кут. Для запам'ятовування відбитого радіолокаційного сигналу застосовують

електронно-променеву трубку. Подається на неї демодулірованний сигнал модулює інтенсивність електронного променя, який розгортається в вертикальному напрямку синхронно з відбитими радіолокаційними імпульсами. Якщо зображення сигналу з екрану трубки спроектувати на фотоплівку, яка переміщається в горизонтальному напрямку з постійною швидкістю, то буде зареєстрована послідовність трас дальності, які сформують двовимірне зображення (ріс.17.2). Вертикальні лінії описують розгортку по дальності, а по горизонталі відкладаються положення азимута. Таким чином, зареєстроване зображення являє собою набір вибірок сигналу S (t). Ця вибірка здійснюється таким чином, що до моменту закінчення запису сигналів на плівці вона виявляється істотно нерозрізненої від початкового сигналу. При такій реєстрації очевидно, що змінні в часі перетворюються в змінні по простору в значеннях відстані уздовж лінії записи. При правильній експозиції прозорість реєструє плівки представляє зміна відбитого радіолокаційного сигналу по азимуту. Таким чином, якщо розглядати тільки дані, зареєстровані в напрямку y = y1, амплітудне пропускання можна представити у вигляді

Дальність (у)

Слід модулірованногоАзімут (х) за яскравістю електронного променя

де K1 і K2 - зміщення і коефіцієнт пропорційності, x = vf t - координата плівки; vf - швидкість переміщення плівки; ω x = ω c / vf. Оскільки косинус можна представити у вигляді суми двох комплексно-сполучених експонент, то суму в (7.75) можна записати у вигляді двох сум T1 і T2:

Для простоти обмежимося завданням для однієї мети. Тоді для n = j рівняння (17.8) набирає вигляду

де C - відповідна комплексна постійна. Перша експонента описує лінійну фазову функцію, тобто просто нахил излученной хвилі. Кут нахилу до площини плівки визначається виразом

Таким чином, за винятком лінійної фазової функції, (7.76) є суперпозицією N позитивних циліндричних лінз, зосереджених в точках, які визначаються виразом

Аналогічно (17.9) містить лінійний фазовий множник - 0 і описує суперпозицію N негативних циліндричних лінз з центрами, які визначаються (17.14), і з фокусною відстанню, що описуються (17.13).

Для відновлення зображення транспарант, відповідний (17.7), висвітлюють монохроматичної плоскої хвилею, як показано на ріс.17.3. Тоді можна показати, застосовуючи теорію Френеля-Кірхгофа або принцип Гюйгенса, що дійсні зображення, створювані T1 (x, y1), і уявні зображення, створювані T2 (x, y1), будуть відновлюватися в передній і задній фокальних площинах плівки. Відносні положення зображень точкових розсіювачів розподіляються вздовж лінії фокусів, так як численні центри лінзоподобной структури плівки визначаються положенням точкових розсіювачів. Однак відтворене зображення буде розмазано в напрямку y; ось чому ця плівка є по суті реалізацією одновимірної функції вздовж y = y1 і, отже, в цьому напрямку не виявляється ніякого фокусирующего дії.

Оскільки нашою метою є відновлення зображення не тільки в азимутному напрямку, але і в напрямку дальності, необхідно відображати координату y безпосередньо на фокальній площині азимутального зображення. Щоб виконати це, необхідно нагадати, що воно прямо пропорційно дальності r1. У свою чергу, фокусна відстань прямо пропорційно розглянутої координаті y. Таким чином, щоб створити карту місцевості, ми повинні відобразити координату y переданого сигналу на площину, положення якої визначається фокусною відстанню азимутального напрямку. Це легко здійснити, встановивши позитивну конічну лінзу безпосередньо за реєструє плівкою, як показано на ріс.17.4. Очевидно, що якщо коефіцієнт пропускання конічної лінзи дорівнює

f - лінійна функція від r1, як показано в (17.13), то можна повністю видалити всю названу площину всієї уявної дифракції в нескінченність, при цьому залишити коефіцієнт пропускання в напрямку y незмінним. Таким чином, якщо циліндричну лінзу помістити на фокусній відстані від плівкового транспаранта, уявне зображення в напрямку y вийде в нескінченності. Нехай азимутальное зображення і зображення в напрямку дальності (тобто в напрямках x і y) збігаються, але в нескінченно віддаленій точці. Їх можна перенести назад на кінцеву відстань за допомогою сферичної лінзи. При цій операції дійсне зображення координат місцевості по азимуту і по дальності буде сфокусовано на вихідний площині системи. Однак на практиці бажане зображення реєструється через щілину в вихідний площині.

Виявлену вторинну плівку можна розглядати і розшифрувати.