Кондратенков Г.С. Радиовидение (2005) (1151787), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Характерные величины относительного размера апертуры для РЛС истребителя гИ~= 20...30, для систем радиолокационного дозора и наведения ЮЛ = 80...100, для РЛС воздушной разведки, имеющей вдольфюзеляжную антенну, сИ~ = 200...300. В более общем случае апертура антенны задает объем анализируемого пространственно-временного сигнала, который представляет собой зависимость напряженности, фазы и поляризации электромагнитного поля от пространственных координат и времени.
Таким образом, апертура характеризуется геометрическими размерами анализируемого объема электромагнитной волны, временем анализа, поляризационными и частотными параметрами. В этом случае разрешающая способность по угловой координате определяется изменением пространственно-временного сигнала в апертуре антенны в зависимости от углового положения источника электромагнитной волны. Известными примерами такого пространственно-временного сигнала могут служить объемные голографические линзы и синтезированные апертуры. Синтезирование апертуры. Основное отличие синтезированных (искусственных) апертур от обычных (реальных) апертур антенны состоит в том, что синтезированная апертура (СА) формируется последовательно во времени.
В каждый данный момент прием электромагнитной волны ведется реальной апертурой, а синтезированная апертура является результатом последовательного во времени приема электромагнитной волны реальной апертурой при различном ее положении относительно нсточника электромагнитной волны. Рассмотрим процесс 0 4 Х синтезирования на примере Х формирования прямолинейной апертуры РСА (рис. 2.2). Антенна РЛС перемеща- Рис. 2.2.
Формирование диаграммы ется по прямолинейной траек- направленности синтезированной торин (ось Х), последовательно апертурой антенны Глава 2 занимая положения 1, 2, ..., Х. В каждом положении антенна работает на передачу и прием, т.е. излучает зондируюший и принимает отраженный от точечной цели сигналы в виде плоской электромагнитной волны. Фронт волны расположен под углом 0 относительно траектории. Процессор обработки сигналов в структуре РЛС имеет в своем составе устройство памяти для запоминания амплитуды и фазы электромагнитной волны, принимаемой в каждом положении антенны, формируя, таким образом, траекторный сигнал — аналог распределения поля по апертуре в обычной антенне.
Устройство формирования апертуры (носитель РЛС) обеспечивает перемешение антенны РЛС по прямолинейной траектории. БЦВМ управления синхронизирует излучение и прием сигналов РЛС с ее положением на траектории. Процессор обработки сигналов суммирует запомненные сигналы с учетом их фазы (синфазно). Так как размер антенны равен Й и перемещение антенны от одного положения к соседнему также равно с1, то имеем как бы непрерывную апертуру размером Х, =Хд. Ее диаграмма направленности на прием определяется так же, как и ДН реальной апертуры.
Набег фазы волны между двумя положениями реальной антенны на траектории 2п 2кд . <р~ =2 — г(д)=2 — з1п8 л. ) в два раза больше, чем у обычной апертуры, что обусловлено двойным проходом электромагнитной волной расстояния г (при передаче и при приеме). В результате ширина диаграммы направленности у синтезированной апертуры РСА такого типа оказывается меньше, чем у реальной апертуры такого же размера: О, =0,44 — =0,44 —.
Х, Хд Главный результат синтезирования апертуры в том, что размер апертуры увеличился в Ф раз по сравнению с размером реальной апертуры. Таким образом, разрешение по угловой координате антенны с синтезированной апертурой при приеме сигналов определяется относительным размером Х,/Х синтезированной апертуры, сформированной в результате перемещения реальной антенны. В данном случае эффект достигается увеличением объема анализируемого поля в пространстве и времени.
Основные свойства синтезированной анертуры. Рассмотрим основные свойства синтезированной апертуры. 1. Метод синтезирования апертуры в РЛС (РСА) позволяет получать апертуру большого размера, используя антенну малого размера. Для современных методов увеличение апертуры Х,/д составляет 10'... 10' для борто- 20 Оенови теории еинтезировоннмх инертур вых самолетных и космических систем. Типовые значения относительных размеров апертур различных систем следуюшие: Системы: панорам- РЛС боко- глаз чело- РСА оптические ные РЛС вого обзора века системы с1/Х: 10...50 200...3000 5 1О' 10 ...1О' 1О'...10 Я=О К=0,44 — К. ) с * Х с При Х,д. = 10' на дальности 100 км линейное разрешение равно 0,44 м, что соответствует условиям радиовидения обьектов. При этом размер СА Х, = 3 км и Х = 3 см, что примерно в 1000 раз превышает размер реальной антенны.
Оптические системы в большинстве случаев по погодным условиям (облачность, дымка) или в отсутствие естественного освещения не позволяют наблюдать объекты на таком расстоянии. 2. Синтезированная апертура формируется в результате приема и обработки отраженных от цели сигналов, т.е. синтезированная апертура определяет ДН только на прием. ДН на передачу при синтезировании апертуры определяется ДН реальной антенны. Поляризационные и частотные свойства СА также определяются реальной антенной.
3. При синтезировании апертуры одновременно может работать (излучать, принимать) всего один антенный элемент (реальная антенна). В этом случае не возникает электродинамических задач при формировании всей апертуры, так как нет взаимодействия элементов по электромагнитному полю. Задача синтезирования апертуры и формирования диаграммы направленности фактически сводится к разработке алгоритмов и их выполнению процессором обработки траекторного сигнала. Как и для реальной антенны, ДН синтезированной апертуры есть зависимость сигнала на выходе процессора от угловой координаты точечного источника излучения или переизлучения (в случае активной РСА).
ДН может быть однолучевой, многолучевой, моноимпульсной, адаптивной и т.п. 4. Вследствие большого относительного размера СА Х,/Х объекты наблюдения РСА в большинстве случаев находятся в промежуточной зоне (зоне Френеля) апертуры, а не в дальней зоне, как у большинства реальных антенн. При приеме в дальней зоне фронт волны на апертуре считается плоским. С увеличением размера апертуры (или уменьшени- 24 Благодаря большому размеру апертуры РСА возможно получение высокого линейного разрешения по угловой координате на больших дальностях: Глпап 2 ем расстояния до объекта) сферичностью фронта волны уже пренебрегать нельзя. Обычно условие дальней зоны записывается как К > 2дгф Для реальной антенны бортовой РЛС граница дальней зоны порядка 100 м, а при синтезировании она исчисляется тысячами километров.
Поэтому в РСА при обработке траекторного сигнала необходимо учитывать сферичность фазового фронта электромагнитной волны. В простейших РСА, когда размер СА небольшой, кривизну фронта электромагнитной волны не учитывают. Такой режим называют пдоилеровсисм обужением луча» (ДОЛ), и увеличение разрешения при этом невелико (10...30) раз. Учет сферичности фронта волны при обработке траекторного сигнала называют фокусировкой, а апертуру соответственно фокусированной апертурой. На рис. 2.3 показано распределение поля нефокусированной (ДОЛ) (а) и фокусированной (6) апертур в промежуточной и дальней зонах ДН.
), Ос— 2Хс 61 Рнс. 2.3. Распределение поля в промежуточной и дальней зонах ДН 22 Оенови теории еиннннированннх апертур Обычная апертура предполагает прием плоских электромагнитных волн, что соответствует фокусировке на бесконечное расстояние Кф — — ес . ДН такой апертуры до границы дальней зоны К,„, имеет постоянное сечение, равное примерно размеру апертуры. Затем сечение ДН линейно расширяется в соответствии с угловым размером О, = Х/Х, и зависимостью Ы = О,К . Фокусированная апертура подобна оптической линзе, которая фокусирует изображение.
Такая апертура имеет минимальное сечение Ы =О,КФ на расстоянии фокусирования, т.е. такое же, как и у обычной антенны в дальней зоне. Можно сказать, что процесс фокусирования переносит свойства направленности апертуры из дальней зоны в промежуточную. Так как сферичность фронта волны зависит от расстояния до объекта, необходим различный закон фокусирования для разных дальностей, т.е. для обеспечения фокусировки СА нужен многоканальный по дальности алгоритм обработки траекторного сигнала. Благодаря фокусировке СА обеспечивает в промежуточной зоне разрешение не только по углу, но и по дальности даже при немодулированном сигнале. Однако обычно оно невелико, и разрешение по дальности обеспечивается за счет модуляции зондирующего сигнала.
5. Для обеспечения синфазного сложения сигналов в процессе синтезирования апертуры необходимо, чтобы сигналы были когерентными. Когерентность сигнала — априорное знание структуры сигнала, т.е. для синфазного сложения требуется точное знание фазы траекторного сигнала. Обычно в антеннах считается допустимой максимальная ошибка положения точек апертуры относительно заданного порядка Х/8, что соответствует ошибке фазы и/4. Основными источниками ошибок — некогерентности траекторного сигнала — являются фазовые нестабильности приемопередаюших модулей, траекторные нестабильности носителя РСА и нестабильности среды распространения электромагнитной волны. Так, допустимая ошибка в знании траектории перемещения антенны равна нескольким миллиметрам (в сантиметровом диапазоне электромагнитной волны).
Это требует специальных мер компенсации этих ошибок с помощью систем микронавигации и алгоритмов автофокусировки. 6. Энергетические характеристики СА (отношение сигнал/внутренний шум) определяются коэффициентом усиления реальной антенны и временем синтезирования, т.е. временем когерентного накопления сигналов. Помехозащищенность от внешних активных и пассивных помех Глава 2 определяется как ДН реальной антенны, так и направленными свойствами СА, т.е. пространственной селекцией помех. Действительно, в каждом положении антенны при синтезировании апертуры мощность принятого сигнала определяется мощностью излучения и коэффициентом усиления антенны, а синфазное сложение этих сигналов при синтезировании эквивалентно накоплению энергии сигнала за время синтезирования при постоянной спектральной мощности внутренних шумов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
