Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 76
Текст из файла (страница 76)
С помощью антенны, электрическая ось которой обычно ориентирована перпендикулярно направлению полета, облучаются цели, расположенные на по- Рис, 5.49. Геометрические соотношения прн съемке с помощью РСА. верхности Земли. Принятые сигналы накапливаются, а затем подвергаются обработке, цель которой — построить радиолокационное изображение поверхности. К~роме того, возможно (и часто используется на практике) смещение электрической оси антенны в направлении полета, как показано на рис. 5.49. В телескопическом режиме РСА положение антенны непрерывно подстраивается таким образом, чтобы Облучалась одна и та же область на поверхности и обеспечивалась радиолокационная съемка этой области с очень высоким разрешением. Чтобы выявить особенности алгоритмов об~работки сигналов РСА, рассмотрим упрощенную геометрию съемки, сведя ее к двумерному случаю за счет пренебрежения высотой (рис.
5.50). Предположим, что излучаешься непрерывный монохроматический сигнал, а отражение создается единственной целью с координатами (хн г1). Правда, такой зондирующий сигнал не обеспечит разрешения на дальности; вопросы разрешения по дальности будут рассмотрены позднее. Так как ширина диаграммы направленности физической антенны РСА равна Х/1., то цель будет облучаться, когда антенна находится между точками х;=х1 — Хг,/2Е и х~= =х~+Хг1/2Е. За счет относительного движения цели и антенны .23' Применение ЦОС в радиолокации Глава о 357 356 то — ! — (ои — х1)2 !во но / 2г~~ в о~ (5.63)1 г(~) =з 1 — — =е (5. 60) положение локатора ~х = п! ~Ю= И- )Я 'И (5.62) 4 принятый сигнал будет иметь,доплеровское смещение.
Именно доплеровское смещение используется для того, чтобы, выполнив когерентную обработку, улучшить разрешающую способность по азимуту. Так как время распространения сигнала от антенны до цели и обратно составляет 2Р(1)/с, то принятый сигнал равен Будем считать, что, пока цель облучается, амплитуда принятого сигнала а(1) остается постоянной. На самом деле при смещении а~нтенны амплитуда будет изменяться соответственно диаграмме Рис. 5.50. Упрощенная геометрия съемки для РСА. направлен~ности, причем в точках х; и х~ мощность сигнала уменьшится вдвое. Однако это изменение амплитуды является систематическим и заранее известно, поэтому его можно учесть на этапе об;ра~ботки. Мгновенная частота принятого сигнала равна производной от его фазы по времен~и, т.
е. ~ (О=-~о " ~(О=-~о,о Ф вЂ” х1)~- (~). (5.61) еою = о е Второй член, представляет собой,доплеровское смещение частоты. Разложив Я(1) в ряд Тейлора ~в окрестности точки 1,=х,/о, мож- ио получить линейную аппроксимацию доплеровского смещения. Так как Следовательно, частота эхо-сигнала от точечной, цели, принимаемого в РСА, меняется приблизительно по линейному закону. Скорость изменения частоты этого ЛЧМ-сигнала равна 2воо2/2лсг1,. длительность лг,/о1., девиация частоты 2о/1., а база 2Хг1/Ы Отсюда следует, что для определения положения цели в азимутальиом направлении можно воспользоваться методикой сжатия принимаемого ЛЧМ-сигнала с помощью согласованной фильтрации. Получаемое при этом разрешение по азимуту пропорционально длительности импульса после сжатия. Напомним, что длительность ЛЧМ-импульса после сжатия равна 1/К, где К вЂ” девиация частоты несущей ЛЧМ-импульса.
Пересчитав разрешение по времени к~ разрешению по азимуту, получим РАЗ„=о(2о/А) — '=А/2. Итак, для рассмотренного идеализированного случая на разрешение по азимуту, достигаемое с помощью радиолокатора с фокусированным синтезом апертуры, теоретически не влияют ни дальность до цели, ни длина волны. Важно отметить, что база ЛЧМ- импульса зависит от ~1, так что для различных дальностей потребуются разные согласован~ные фильтры. В результате обработка сигналов в РСА оказывается очень сложной и связана с выполнением весьма большого количества операций. Как и при обычной согласованной фильтрации, рассмотренной выше (см.
разд. 5.4.2), сжатие импульса можно дополнить взвешиванием и уменьшить таким образом уровень боковых лепестков за счет некоторого расширения главного лепестка. В общем случае принятый сигнал является результато~м суперпозиции большого количества эхо-сигналов с ~различными амплитудами, поэтому уровень суммарной энергии в боковых лепестках оказывает существенное влияние на величину динамического диапазона итоговой радиолокационной карты.
Несмотря на то что почти все предположения, использованные в проведенном выше анализе, ~на практике справедливы лишь приблизительно, основные идеи обработки сигналов РСА все же остаются в силе. Рассмотрим введенные предположения более подробно. Прежде всего аппроксимация Я(1), основанная на разложении этой функции в ряд Тейлора, которая привела к ЛЧМ-модуляции в азимутальном направлении, справедлива лишь при малых 1 .в окрестности точки г,=х,/о. Иначе говоря, использование при обработке методики сжатия именно ЛЧМ-импульсов приводит к ограничению предельного ~размера синтезируемой апертуры. Кроме того, важно, чтобы при перемещении антенны РСА вдоль отрезка пути, равного размеру синтезируемой апертуры, цель оставалась в пределах одной и той же дальностной полосы, так 359 Применение ЦОС в радиолокаг1ии Глава 5 358 20/г < — < С/2л„„,.
1 (5.64) Выше предполагалось, что разрешение по дальности обеспечивается за счет излучения коротких им~пульсов. Однако для этой же цели можно использовать и основанную на согласованной фильтрации операцию сжатия импульса, которая должна предшествовать сжатию импульса по азимуту. Отметим, что операции сжатия импульса,по дальности и по азимуту независимы. как,сжатие ~импульса в азимутальном ~направлении выполняется для ~фиксирова~нной дальности. Таким образом, в реальной системе не удается достичь теоретического значения ~предельного разрешения по азимуту, равного 1./2.
Большая практическая трудность заключается в том, что при полете са~молета трудно годдерживать постоянными скорость и направление движения, вследствие чего эхо-сигнал будет отличаться от идеального ЛЧМ- импульса. Если в этих условиях требуется получить радиолокационную карту с высоким разрешением, то ~необходимо при съемке произвести измерения трассы ~полета, используя высокочувствительную инерциальную навигационную систему, а затем при обработке до сжатия импульса по азимуту скорректировать фазу принятого сигнала.
Выше предполагалось, что излучается непрерывный монохроматический сигнал. Он не обеспечивает разрешения по второй координате — дальности, а без это~го невозможно, ~используя РСА, получить радиолокационную карту. Поэтому обычно в качестве зондирующего сигнала используется пачка импульсов. Эхо-сигналы, соответствующие одной и той же дальностной полосе, накапливаются на нескольких последовательных периодах излучения, а затем совместно обрабатываются, причем эхо-,сигналы от различных дальностей обрабатываются раздельно. Частота повторения излучаемых импульсов в пачке должна удовлетворять двум требованиям, вытекающим из условий однозначного разрешения по дальности и по доплеровскому смещению (т. е.
в азимутальном направлении). Чтобы обеспечить однозначное разрешение,по дальности, нужно выбрать период повторения импульсов короче 2й,,/с. С другой стороны, так ка|к эхо-сигналы, получаемые при излучении коротких импульсов,,эквивалентны отсчетам ЛЧМ- :сигнала, принимаемого после отражения от точечной цели, нужно, чтобы частота дискретизации была, достаточно большой и соответствовала теореме Найквиста, гарантирующей отсутствие наложений распределенных по азимуту доплеровских спектров. Поскольку ширина полосы ЛЧМ-сигнала равна 2о/1., то частота повторения импульсов 1/Л должна удовлетворять следующим условиям: 5.10.2.
Объем вычислений Методика обработки сигналов РСА, описанная в предыдущем разделе, предполагает выполнение согласованнои фильтрации по двум,переменным — дальности и азимуту. Обычно, чтобы справиться с ~большим объемом дан~ных, которые приходится накапливать и обрабатывать в системах РСА, использовались методы ,оптической обработки сигналов.
При этом оптическая обработка выполнялась, как правило, не в реальном времени: да~нные предварительно регистрировались на фотопленке. Для проведения обработки использовалась очень сложная оптическая система. Оптические системы имеют существенные недостатки, Они очень дорогие и, кроме того, ограничивают возможности проведения полосовой съемки при движении по не совсем прямолинейной траектории, причем практически нельзя скорректировать это движение,, поскольку оптическая обработка не является универсальной. Конечно, с точки зрения универсальности обработки и возможности ее выполнения в реальном времени предпочтение следует отдать цифровым методам, однако при их использовании сталкиваются с трудностями, связанными с широкой полосой обрабатываемых сигналов, большим требуемым объемом памяти и огромным количеством операций, которые приходится выполнять при картографировании с высоким разрешением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
