Author: Верба В.С. Татарский Б.Г.
Tags: электротехника радиолокация
ISBN: 978-5-93108-084-0
Year: 2014
Text
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МО
ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Под редакцией д.т.н., проф. В.С. Вербы, д.т.н., проф. Б.Г.Татарского
UJ
CQ
РАДИОТЕХНИКА
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР
ОАО «КОНЦЕРН «ВЕГА»
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО
ПРОСТРАНСТВА
НАУЧНАЯ СЕРИЯ
Труды научных школ
ОАО «Концерн радиостроения «Вега»
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО
ПРОСТРАНСТВА
Под редакцией
д.т.н., профессора В.С. Вербы,
д.т.н., профессора Б.Г. Татарского
Москва
Радиотехника
2014
УДК 621.396.96
ББК 32.95
Р15
Научная серия
«Труды научных школ ОАО «Концерн радиостроения «Вега»
Под общей редакцией д.т.н., профессора В.С. Вербы
Редакционная коллегия:
Гл. редактор - д.т.н., профессор В. С. Верба
Члены редколлегии:
д.т.н., проф. М.М. Бутаев, д.т.н., проф. К.А. Злотников, д.т.н., проф. В.И. Меркулов,
д.т.н., проф. А.П. Курочкин, д.т.н. Л.Б. Неронский, с.н.с., к.т.н. В.А. Плющев,
д.т.н., проф. В.В. Родионов, д.в.н., проф. А.Т. Силкин, д.т.н., проф. А.А. Сахнин,
д.т.н., проф. Б.Г. Татарский, д.т.н. В.Н. Шахгеданов
Рецензенты:
академик РАН И.Б. Федорову
член-корреспондент РАН В.А. Черепенищ
д.т.н., профессор В.А. Сарычев
Авторы:
В.С. Верба, Б.Г. Татарский, А.Р. Ильчук, Т.А. Лепехина, Е.В. Майстренко,
В.И. Меркулов, В.А. Михеев, Л.Б. Перонский, В.А. Плющев, А.С. Пешко,
С.Н. Пущинский, П.А. Садовский, С.Н. Степаненко, И.А. Сидоров, А.Т. Силкин,
А.А. Трофимов, А.А. Филатов, М.И. Чернышев, И.А. Юрчик, Д.А. Ясенцев
Р 15 Радиолокационные системы авиационно-космического мониторинга
земной поверхности и воздушного пространства / Под ред. В. С. Вербы,
Б.Г. Татарского. Монография. М.: Радиотехника, 2014. - 576 с.: ил.
(Научная серия «Труды научных школ ОАО «Концерн радиостроения
«Вега»). - Авт. указаны на обороте тит. л.
ISBN 978-5-93108-084-0
Рассмотрены особенности построения систем радиолокационного монито-
ринга воздушного пространства и земной поверхности, учитывающие основные
тенденции развития данных систем и направленные на повышение их информа-
тивности.
Для сотрудников научных и разрабатывающих организаций, профессорско-
преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов
ВУЗов, областью научных интересов которых является радиолокация.
УДК 621.396.96
ББК 32.95
ISBN 978-5-93108-084-0
© Авторы, 2014
© ЗАО Издательство «Радиотехника», 2014
Вступительное слово Президента РАН академика В.Е. Фортова........... 7
Вступительное слово заместителя Министра обороны РФ,
ответственного секретаря
Военно-промышленной комиссии Российской Федерации
Ю.И. Борисова ...................................................... 9
От редактора .......................................................... 11
Отзыв о книге академика РАН И.Б. Фёдорова ............................. 13
Предисловие............................................................ 15
Глава 1. Радиолокационные системы
с пространственно-временной обработкой сигналов ...................... 17
Введение......................................................... 18
1.1. Бортовая РЛС дозора с пространственно-временной
обработкой сигналов.......................................... 18
1.2. РЛС кругового обзора с АФАР для бортового комплекса
беспилотного летательного аппарата........................... 27
1.3. РЛС управления воздушным движением
на основе антенных систем с АФАР ............................ 41
1.4. Бортовая РЛС многофункционального авиационного комплекса
разведки, оповещения и управления с цифровой ФАР ............ 54
1.5. Бортовая РЛС на основе ФАР
с электронно-механическим сканированием...................... 65
1.6. Применение экспертной информации при решении задач обзора
пространства РЛС на основе ФАР
с электронно-механическим сканированием..................... 75
1.7. Имитационная модель для исследования эффективности обзора
пространства РЛС на основе ФАР
с электронно-механическим сканированием......................89
Литература...................................................... 100
Глава 2. Радиолокационные системы высокого разрешения................. 103
Введение........................................................ 104
2.1. Компьютерные технологии при создании
перспективных радиолокационных систем высокого разрешения . 104
2.2. Направления развития многочастотных авиационных
радиолокационных комплексов дистанционного зондирования
высокого разрешения........................................ 114
2.3. Модифицированный алгоритм обнаружения сигнала,
отраженного от наземной движущейся цели для РСА с ФАР........ 137
3
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
2.4. Формирование эталонных радиолокационных портретов
надводных кораблей с использованием ограниченного набора
экспериментальных данных...................................... 145
2.5. Обработка больших массивов цифровых радиоголограмм
космических РСА высокого разрешения........................... 153
2.6. Разработка и особенности использования активного транспондера
для наземных и летных испытаний, калибровки и валидации
космических РСА .............................................. 162
Литература.................................................... 172
Глава 3. Радиолокационные системы с синтезированной апертурой,
формируемой при вращении фазового центра
реальной антенны .................................................... 175
Введение........................................................ 176
3.1. Анализ особенностей формирования и обработки
траекторного сигнала в РЛС с синтезированием апертуры антенны
при вращении фазового центра реальной антенны ................ 177
3.2. Особенности синтезирования апертуры антенны
при вращении фазового центра реальной антенны
в режиме обзора «под собой»................................... 185
3.3. Характеристика направленности искусственной апертуры антенны
и ее зависимость от траектории перемещения фазового центра
реальной антенны.............................................. 193
3.4. Синтезирование апертуры при учете поступательного
и вращательного движений фазового центра реальной антенны...... 201
3.5. Эффективная синтезированная апертура антенны
при комбинированной траектории движения
фазового центра реальной антенны.............................. 214
3.6. Интерферометрический режим бортовой РЛС
с синтезированием апертуры при вращении фазового центра
реальной антенны.............................................. 223
Литература ................................................... 231
Глава 4. Выбор зондирующих сигналов
для радиолокационных систем различного назначения .................... 233
Введение...................................................... 234
4.1. Функция неопределенности сигналов
с нелинейной частотной модуляцией............................. 235
4.2. Функция неопределенности сигналов
с комбинированной частотной модуляцией ....................... 244
4.3. Выбор системы ортогональных сигналов
для распределенной РЛС........................................ 255
4.4. Применение сверхкоротких импульсов в РЛС,
входящих в авиационные комплексы дозора ...................... 269
Литература ................................................... 275
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 5. Обработка и обнаружение радиолокационных сигналов
в бортовых радиолокационных системах
при длительном когерентном накоплении ............................... 277
Введение........................................................ 278
5.1. Особенности радиолокационного наблюдения
воздушно-космических объектов
при длительном когерентном накоплении отраженных сигналов ............ 279
5.2. Многоканальная по времени запаздывания, доплеровской частоте,
крутизне изменения частоты система обработки
и обнаружения отраженных сигналов..................................... 291
5.3. Адаптивная система обработки и обнаружения
отраженных сигналов на основе способа автофокусировки................. 304
5.4. Система обработки и обнаружения отраженных сигналов
с использованием дискриминаторов ..................................... 324
5.5. Система обработки и обнаружения отраженных сигналов
на основе анализа доплеровского смещения частоты ................ 337
Литература ..................................................... 349
Глава 6. Принципы построения систем обработки сигналов
в радиолокационных системах.......................................... 351
Введение....................................................... 352
6.1. Использование методов интерполяции
при разработке тестовых данных
для проверки системы обработки радиолокационных сигналов........ 352
6.2. Системы обработки сигналов на кристалле
в радиолокационных комплексах ........................................ 358
6.3. Новые технологии в системе обработки сигналов в бортовой РЛС
авиационного комплекса дозора и наведения ............................ 367
6.4. Цифровые технологии и архитектура РЛС..................... 385
6.5. Цифровая обработка радиолокационных сигналов обзорной РЛС.. 396
6.6. Интеграция данных в многофункциональных
радиолокационных комплексах .......................................... 401
Литература .................................................... 419
Глава 7. Автоматическое сопровождение воздушных целей ................ 423
Введение....................................................... 424
7.1. Синтез следящих радиолокационных угломеров
для систем одноразового применения.................................... 425
7.2. Радиолокационно-оптические системы сопровождения целей..... 437
7.2.1. Выбор и обоснование моделей состояния и наблюдения для синтеза
комплексных оптимальных радиолокационно-оптических измерителей.......437
7.2.2. Радиолокационно-оптический дальномер с текущей коррекцией
прогноза состояния неодновременно приходящими измерениями ...........446
7.2.3. Исследование эффективности функционирования
радиолокационно-оптического дальномера с текущей коррекцией прогноза.452
7.3. Многодиапазонные системы сопровождения объектов........... 455
5
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
7.4. Автоматическое сопровождение целей в режиме обзора ....... 467
7.4.1. Алгоритмы автоматического сопровождения целей
в режиме обзора с адаптивной коррекцией прогноза
и бесстробовой идентификацией радиолокационных измерений ...467
7.4.2. Эффективность алгоритмов автоматического сопровождения целей
в режиме обзора с адаптивной коррекцией прогноза
и бесстробовой идентификацией радиолокационных измерений .475
7.5. Радиолокационный метод измерения нерадиальных проекций
вектора скорости цели ...................................... 489
7.6. Определение степени уязвимости
автоматизированной информационной системы
в отношении конкретных методов реализации
угроз безопасности информации ............................ 501
Литература..................................................... 510
Глава 8. Пассивные радиолокационные системы ......................... 513
Введение....................................................... 514
8.1. Поляриметрическая система
из двух СВЧ-радиометров типа «Ранет-21» .................. 515
8.2. Радиометр СВЧ-диапазона с трёхопорной модуляцией.......... 522
8.3. Повышение информативности СВЧ-радиометрических систем
методом пассивного синтеза апертуры антенны ................ 527
8.4. Блок обработки информации для радиометрических систем
с синтезированием апертуры антенны.......................... 536
Литература..................................................... 540
Заключение .......................................................... 542
Список сокращений ............................................. 543
Сведения об авторах ................................................ 546
Научная школа «Радиолокационные системы
авиационно-космического мониторинга земной поверхности
и воздушного пространства» ...................................... 551
Научная школа «Пассивные радиолокационные системы» ................ 562
Приложение: оглавление книг научной серии
«Труды научных школ ОАО «Концерн радиостроения «Вега».................569
6
Знаменательным событием для научной общественности, интересы
которых лежат в области радиоэлектронных систем, является вы-
ход в свет серии монографий «Труды научных школ ОАО «Кон-
церн радиостроения «Вега», которые обобщают научные достиже-
ния головного предприятия Концерна (ЦКБ-17, НИИ-17, МНИИП)
за последние 10-15 лет в таких научных областях как радиолока-
ционные системы авиационно-космического мониторинга земной
поверхности и воздушного пространства, теория и техника антен-
но-фидерных и оптоэлектронных устройств, пассивные радиолока-
ционные системы, авиационные системы радиоуправления.
Выход монографий подтверждает, что зерна науки, посеянные
в НИИ-17 выдающимся ученым членом-корреспондентом Акаде-
мии наук СССР А.А. Пистолькорсом и взращенные его учениками
и последователями - членом-корреспондентом АН СССР Л.Д. Бах-
рахом, действительным членом РАН А.Л. Микаэляном, членами-
корреспондентами РАН А.П. Реутовым, В.Б. Штейншлейгером, и
сегодня дают плоды.
Российская академия наук высоко ценит результаты деятель-
ности научных школ головного предприятия и достигнутые успехи
его ученых, конструкторов и инженеров, определивших принципи-
ально новые направления развития сложных радиотехнических
систем воздушного, космического и наземного базирования. Тесное
сотрудничество ученых Концерна и институтов РАН позволяет ус-
пешно развивать данные направления и определять тренды их бу-
дущего развития.
Важным этапом в развитии науки на предприятии явилось
создание на его основе интегрированной структуры ОАО «Концерн
«Вега». Создание Концерна позволило объединить усилия ученых,
конструкторов и инженеров предприятия на приоритетных направ-
лениях развития науки и техники, научно-технологического ком-
плекса РФ в целом и ее ОПК.
Достигнутые успехи в разработке авиационных комплексов
дозора и наведения, радиотехнических комплексов мониторинга
земной поверхности космического и авиационного базирования,
комплексов для беспилотных летательных аппаратов получили вы-
сокую оценку Правительства РФ. Концерну присвоен высокий ста-
7
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
тус Федерального научно-производственного центра, что несо-
мненно служит положительным импульсом к дальнейшему разви-
тию науки и технологии на предприятии.
В этой связи, подготовленные к 70-летию головного предпри-
ятия Концерна монографии: «Радиолокационные системы авиаци-
онно-космического мониторинга земной поверхности и воздушно-
го пространства» (под редакцией д.т.н. проф. В.С. Вербы и д.т.н.
проф. Б.Г. Татарского), «Антенно-фидерные и оптоэлектронные
устройства» (под редакцией д.т.н. проф. В.С. Вербы и д.т.н. проф.
А.П. Курочкина) и «Авиационные системы радиоуправления» (под
ред. проф. В.С. Вербы и д.т.н. проф. В.И. Меркулова), являются до-
казательством жизнеспособности и работоспособности его науч-
ных школ.
Надеюсь, что монографии будут интересны не только сотруд-
никам предприятия, но и ученым научно-исследовательских орга-
низаций, инженерам-разработчикам, разрабатывающих предпри-
ятий, профессорско-преподавательскому составу, научным сотруд-
никам и аспирантам ВУЗов страны, чьи научные интересы лежат в
области радиотехники.
Пользуясь случаем, поздравляю руководителей научных школ,
научных сотрудников и аспирантов с юбилеем.
Желаю Вам, уважаемые коллеги, и дальше развивать и кре-
пить российскую науку на благо процветания нашего Отечества.
Президент
Российской академии наук,
академик
В.Е. Фортов
8
Серия монографий «Труды научных школ ОАО «Концерн радио-
строения «Вега», подготовленная к 70-летию головного предприятия
(ЦКБ-17, НИИ-17, МНИИП), является значимым событием не только
для коллектива предприятия, но и для всей радиоэлектронной отрасли.
Созданное в суровые годы Великой Отечественной войны,
ЦКБ-17 активно включилось в работу по оснащению самолетов
авиации ВВС Советского Союза современными радиолокационны-
ми устройствами. Так, уже в 1947 г. первые разработанные пред-
приятием радиолокационные станции поступили для оснащения
самолетов-бомбардировщиков ТУ-4 авиации ВВС СССР.
В последующие годы широкая гамма разработанных предпри-
ятием радиолокационных систем была принята на вооружение са-
молетов различных родов авиации ВВС страны. Разработанное на
предприятии семейство доплеровских измерителей путевой скоро-
сти и угла сноса позволило оснастить ими практически весь парк
самолетов и вертолетов авиации советского государства. Проведе-
ны разработки радиолокационных систем для космических носите-
лей. В то же время, одной из наиболее важных разработок пред-
приятия является авиационный радиолокационный комплекс дозо-
ра и наведения А-50, который по основным тактико-техническим
характеристикам не уступает известному комплексу АВАКС.
Успешную поступь МНИИП по разработке сложной совре-
менной радиолокационной техники остановил спад промышленно-
сти 1990-х годов, связанный с развалом СССР.
Новый импульс развития предприятие получило в 2004 г., ко-
гда на базе МНИИП было создано ОАО «Концерн радиостроения
«Вега». Сохраненный научный потенциал предприятия позволил
успешно провести модернизацию комплекса А-50, придав ему но-
вые функциональные возможности, и приступить к разработке
авиационного комплекса дальнего радиолокационного обнаруже-
ния, наведения и управления нового поколения. Параллельно ус-
пешно была решена задача по созданию оптико-радиотехнического
комплекса мониторинга для самолетного носителя в рамках про-
граммы «Открытое небо», разработан радиотехнический комплекс
для беспилотных летательных аппаратов, завершена программа по
9
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
разработке радиолокационной системы высокого разрешения для
носителя космического типа.
Проведенная работа по разработке, созданию и внедрению со-
временных комплексов и систем сложной радиолокационной тех-
ники в интересах укрепления обороноспособности государства и
развития народного хозяйства РФ была высоко оценена правитель-
ством Российской Федерации. Концерну «Вега» был присвоен ста-
тус Федерального научно-производственного центра. Сегодня, не-
сомненно, ОАО «Концерн радиостроения «Вега» является одним из
лидеров радиоэлектронной отрасли в области создания сложных
технических систем.
Достигнутые успехи в разработке сложной техники невоз-
можны были бы без поддержания и развития научных школ Кон-
церна. В настоящее время на головном предприятии действуют на-
учные школы - «Радиолокационные системы авиационно-косми-
ческого мониторинга земной поверхности и воздушного простран-
ства», «Прикладная электродинамика. Теория и техника антенно-
фидерных и оптоэлектронных устройств», «Пассивные радиолока-
ционные системы», «Авиационные системы радиоуправления»,
члены которых активно участвуют во всех проектах, реализуемых в
отрасли. В этом отношении Концерн «Вега» является безусловно
лидером в отрасли и служит хорошим примером для других интег-
рированных структур и предприятий.
Предлагаемые читателю монографии являются результатом
научно-теоретических разработок активных участников данных на-
учных школ. В монографиях отражены основные научные взгляды
ученых предприятия, соответствующие основным тенденциям раз-
вития радиолокационной техники.
Надеюсь, что монографии будут интересны широкому кругу
ученых, научных сотрудников и специалистов, чьи научные инте-
ресы лежат в области радиолокационных систем.
Пользуясь случаем, поздравляю дружный коллектив головного
предприятия ОАО «Концерн «Вега» с 70-летним юбилеем. Желаю
коллективу предприятия дальнейших успехов в деле обеспечения
безопасности нашей страны, здоровья его сотрудникам и членам
их семей.
Заместитель
Министра обороны РФ по вооружению,
Ответственный секретарь
Военно-промышленной комиссии
Российской Федерации
Ю.И. Борисов
10
Посвящается ученым, конструкторам, инженерам и рабочим
ОАО «Концерн радиостроения «Вега» всех поколений
(ЦКБ-17, НИИ-17, ФГУП «МНИИП», ОАО «Концернрадиостроения «Вега»)
К 70-летию одного из ведущих предприятий оборонно-промышлен-
ного комплекса Российской Федерации - головного предприятия
(ЦКБ-17, НИИ-17, МНИИП) Федерального научно-производствен-
ного центра открытого акционерного общества «Концерн радио-
строения «Вега», сотрудниками предприятия подготовлена серия
монографий «Труды научных школ ОАО «Концерн радиостроения
«Вега», являющаяся обобщением научных достижений и разрабо-
ток Концерна за последние годы.
• «Радиолокационные системы авиационно-космического монито-
ринга земной поверхности и воздушного пространства» (под ре-
дакцией д.т.н, проф. В.С. Вербы и д.т.н, проф. Б.Г. Татарского).
• «Антенно-фидерные и оптоэлектронные устройства» (под редак-
цией д.т.н., проф. В.С. Вербы и д.т.н., проф. А.П. Курочкина).
• «Авиационные системы радиоуправления» (под редакцией
д.т.н., проф. В.С. Вербы и д.т.н., проф. В.И. Меркулова).
Основу научных школ Концерна - «Радиолокационные систе-
мы авиационно-космического мониторинга земной поверхности и
воздушного пространства», «Прикладная электродинамика. Теория
и техника антенно-фидерных и оптоэлектронных устройств»,
«Пассивные радиолокационные системы», «Авиационные системы
радиоуправления» - заложили выдающиеся советские и российские
ученые - члены-корреспонденты АН СССР А.А. Пистолькорс,
В.П. Тихомиров, действительный член РАН А.Л. Микаэлян, члены-
корреспонденты РАН Л.Д. Бахрах, А.П. Реутов, В.Б. Штейшлей-
гер, доктора технических наук И.А. Бруханский, С.Т. Егоров,
П.О. Салганик.
При подготовке монографий не преследовалась цель сосредо-
точиться на детальном рассмотрении одного из направлений разви-
тия научных школ. Рассмотрение ведется по широкому спектру во-
просов, имеющих важное значение при разработке современных ра-
диотехнических систем.
11
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Несомненным достоинством представляемых в монографиях
материалов является их тесная взаимосвязь с практическими при-
ложениями, нашедшими воплощение в конкретных образцах ра-
диолокационной техники, получивших жизнь благодаря усилиям
творческих коллективов единомышленников головного предпри-
ятия Концерна радиостроения «Вега» и их активных соратников.
Надеемся, что серия «Труды научных школ ОАО «Концерн ра-
диостроения «Вега» будет полезна широкому кругу ученых, науч-
ным сотрудникам, инженерам-разработчикам, а также преподава-
телям, аспирантам и студентам профильных ВУЗов.
Редактор научной серии «Труды научных школ
ОАО «Концерн радиостроения «Вега»
Генеральный директор - генеральный конструктор
ОАО «Концерн радиостроения «Вега»
Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
В. С. Верба
12
В рецензируемой коллективной монографии рассматриваются важ-
ные вопросы современной радиолокации, касающиеся повышения
информационных возможностей современных радиолокационных
систем (РЛС), технологии их разработки и испытаний.
Несомненным достоинством монографии является сочетание в
ней теоретических вопросов с реальной практикой разработки ра-
диолокационных систем и ее элементов, опираясь на современную
технологическую и элементную базу.
Учитывая, что авторами монографии являются ученые и раз-
работчики конкретных радиолокационных систем, содержание мо-
нографии сопровождается большим количеством рисунков, пред-
ставляющих радиолокационные изображения реальных объектов,
полученные в ходе испытаний и опытной эксплуатации разрабо-
танной техники, а также отдельные конструктивные элементы соз-
данных РЛС и комплексов.
Содержание глав является равновесным. Тем не менее, хоте-
лось бы выделить главы 1, 3-5 и 8, в которых представлен ориги-
нальный материал по новым технологиям построения РЛС.
В частности, в главе 1 рассматриваются вопросы разработки
перспективных РЛС, в качестве антенных систем которых исполь-
зуются активные фазированные антенные решетки, а также новые
подходы к организации обзора зоны ответственности на основе ме-
тодов и технологий систем искусственного интеллекта.
В главе 3 представлен оригинальный материал, связанный с
новым подходом к реализации РЛС с синтезированием апертуры
антенны, который строится на учете особенностей построения но-
сителей вертолетного типа и использовании естественного враща-
тельного движения его лопастной структуры для обеспечения дви-
жения фазового центра реальной антенны. Представленный мате-
риал сопровождается достаточно большим объемом рисунков, на
которых представлены результаты оценки эффективности разрабо-
танных решений.
В главе 4 представлен новый материал, связанный с выбором
зондирующих сигналов РЛС. Рассмотрение ведется с подробным
анализом сечений функций неопределенности данных сигналов,
что позволяет определить достоинства и недостатки предлагаемых
13
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
сигналов. Кроме того, приводится детальный анализ возможности
использования сверхкороткоимпульсных сигналов при реализации
РЛС обзорного типа.
Материал, представленный в главе 5, позволяет получить
представление по особенностям разработки систем обработки ра-
диолокационных сигналов для РЛС, реализующих режим длитель-
ного когерентного накопления сигналов. Изложение строится, от-
талкиваясь от детального анализа параметров отраженных сигналов
для данных условий, и сопровождается большим количеством по-
ясняющего материала в виде рисунков, диаграмм и схем.
В главе 8 представлен интересный материал по особенностям
построения пассивных радиолокационных систем. Неподдельный
интерес вызывает материал, связанный с повышением информаци-
онных возможностей СВЧ-радиометрических систем за счет мето-
да пассивного синтеза апертуры.
В целом в материалах монографии содержатся научные
результаты, которые будут полезны широкому кругу читателей,
связанных с вопросами разработки радиолокационных систем .
Академик РАН
И.Б. Федоров
14
Радиолокационные системы (РЛС) мониторинга воздушно-косми-
ческого пространства и земной поверхности достаточно интенсив-
но развивались последние 15-20 лет. Причиной этого явились ус-
пехи в технологиях разработки и проектирования цифровой эле-
ментной базы, методах и способах обработки сигналов, принципах
построения систем формирования и обработки радиолокационных
сигналов, совершенствование технологий построения активных фа-
зированных антенных решеток. Это позволило реализовывать в со-
временных РЛС сложные алгоритмы формирования и обработки
радиолокационных сигналов и создавать системы и комплексы, об-
ладающие широкими информационными возможностями.
Расширение информационных возможностей РЛС позволяет
создавать высокоэффективные, всепогодные и независящие от вре-
мени суток средства мониторинга, обеспечивающие решение задач,
связанных, в том числе, с распознаванием классов и типов целей,
формированием радиолокационных изображений с высокой дета-
лизацией, обнаружением замаскированных объектов противника и
обладающих малой отражающей способностью. В то же время,
учитывая, что в современных РЛС, как правило, используются
одинаковые методы обработки сигналов как при работе по воздуш-
ным объектам, так и при работе по наземным целям и формирова-
нии РЛИ земной поверхности, то имеется возможность, построения
многофункциональных радиолокационных систем и комплексов.
В предлагаемой монографии находят отражение многие из пе-
речисленных выше направлений развития современных РЛС мони-
торинга. Однако, понятно, что в данной монографии не ставится
задача детального рассмотрения основных вопросов развития со-
временной радиолокации. В ней, в первую очередь, обобщается ма-
териал, связанный с научными достижениями и разработками кон-
кретного коллектива ученых и разработчиков современных РЛС и
комплексов.
Материал, представленный в монографии, построен на ре-
зультатах, опубликованных в открытых научных изданиях, сотруд-
ников головного предприятия ОАО «Концерн «Вега», а также ак-
тивных участников его научной школы «Радиолокационные систе-
мы авиационно-космического мониторинга земной поверхности и
15
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
воздушного пространства» и в данном изложении представляется
впервые.
Структурно материал монографии оформлен в виде восьми
глав, в которых рассматриваются:
• вопросы разработки РЛС, учитывающие при обработке радио-
локационного сигнала как временную, так и пространственную
его структуру (глава 7);
• вопросы, связанные с формированием высокодетального изо-
бражения земной поверхности РЛС (глава 2), причем отдельно
рассматривается данная возможность при вращении фазового
центра антенны (глава 3), а также различные варианты обеспе-
чения высокой детальности по шкале дальности (глава 4);
• обеспечение высокой эффективности РЛС за счет использова-
ния длительной когерентной обработки сигналов (глава 5);
• вопросы разработки систем обработки радиолокационных сиг-
налов с использованием современных цифровых технологий
(глава 6);
• автоматическое сопровождение наблюдаемых воздушных объ-
ектов (глава 7);
• вопросы, связанные с обеспечением задач мониторинга при ра-
боте радиолокационных систем в пассивном режиме (глава 8).
Нумерация формул, рисунков и таблиц выполняется в преде-
лах одной главы. Ссылка на используемую литературу ведется в
пределах главы. Список используемых источников приводится в
конце каждой главы и формируется в алфавитном порядке.
Коллектив авторов выражает благодарность ученым и разра-
ботчикам, материалы научных статей которых были использованы
в данной монографии.
Надеемся, что данная монография будет интересна ученым,
разработчикам, профессорско-преподавательскому составу и
научным сотрудникам ВУЗов, профессиональные интересы кото-
рых связаны с областью радиолокации.
16
цщ
Ч®'
,-W , * И?
’ - «Si
r , ж
i&i s&i г.ч|к
:3k,«у $уу«‘>у’: ’ f«\-* щаад’
................’•*«
аботкой сигналов
loi
дение
. Бортовая РЛС дозора с пространственно-временной
обработкой сигналов ..............................
. РЛС кругового обзора с АФАР для бортового компле
BE ) летательного аппарата ....... с
ния воздушным движением
тенныу систем с АФДР .............
многофункционального
а комплекса разведки, оповещу
? с цифровой ФАР ............
_на основе ФАР
Еронно-механическим сканированием
нение экспертной информации
шении задач обзора пространства РЛ
эве ФАР
•ронно-механическим сканированием
> , ч. ^ионная модель для исследования
эффективности обзора
пространства РЛС на основе ФАР
с электронно-механическим сканированием
/jy/rriuyjjgУ. ,,.^Я1Ц№^ИЙЙг • - *’
* •• • • * • '• t .......
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Введение
Известно [1, 2], что при оптимальной обработке радиолокационных
сигналов необходимо учитывать не только временную его структу-
ру, но и учитывать пространственные характеристики сигнала, отра-
женного от цели. Однако, в виду неразвитости технологии разработ-
ки фазированных антенных решеток и соответствующей элементной
базы для ее реализации, традиционно радиолокационные системы
(РЛС) строились на базе антенн с механическим сканированием и,
таким образом, оптимизация обработки радиолокационных сигналов
проводилась только во временной области. В настоящее время си-
туация изменилась. В виду развития технологий разработки фазиро-
ванных антенных решеток и элементной базы, позволяющей на
практике реализовывать активные фазированные антенные решетки,
появилась реальная возможность вести оптимизацию разработки
РЛС не только во временной области , но и в пространственной.
В данной главе рассматриваются особенности разработки
РЛС, которые в процессе обработки радиолокационного сигнала
учитывают как временную, так и пространственную его структуры.
1.1 Бортовая РЛС дозора < с пространственно-временной обработкой сигналов ’
Основной задачей, стоящей перед пространственно-временной об-
работкой сигналов в авиационной РЛС дозора, является обеспече-
ние обнаружения наблюдаемых объектов (целей) в условиях воз-
действия мешающих отражений от подстилающей поверхности и
сигналов источников активных помех. При расположении РЛС на
движущемся скоростном носителе (самолете) сигналы мешаюших
отражений от подстилающей поверхности могут приобретать весьма
сложный и изменяющийся характер в двумерной области «азимут -
доплеровская частота». Это обусловлено наличием боковых лепе-
стков диаграммы направленности антенны РЛС, из-за которых про-
исходит облучение и прием отражений от подстилающей поверхно-
18
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
сти практически во всех направлениях. Так как носитель авиацион-
ной РЛС перемещается с достаточно высокой скоростью, отражен-
ные от поверхности сигналы, поступающие на приемный вход РЛС с
разных направлений, приобретают различные доплеровские сдвиги
частоты, определяемые углом между вектором скорости носителя и
направлением на отражающий участок.
Таким образом, совокупный отраженный сигнал от подстилающей поверхности в
точке приема РЛС оказывается сложной суммой сигналов, распределенных в
двумерной области «азимут - доплеровская частота». Это вызывает необходи-
мость применения системы обработки, согласованной с сигналом в указанной
двумерной области.
В связи с тем, что частота является лишь одним из парамет-
ров, описывающих характер изменения радиолокационного сигна-
ла во времени (наряду с временем запаздывания отраженного сиг-
нала, изменением огибающей пачки во времени, наличием модуля-
ции и др.), а азимут - одной из пространственных характеристик,
то для реализации системы обработки сигналов импульсно-
доплеровской РЛС целесообразно ее рассматривать как систему
пространственно-временной обработки. При таком подходе зада-
чей пространственно-временной обработки является адаптация ее
характеристик к входному сигналу одновременно в двух измерени-
ях: во времени и в пространстве.
Примером не адаптивной обработки может служить разделен-
ная в пространстве и во времени обработка сигнала в «обычной»
импульсно-доплеровской РЛС, когда функции пространственного
фильтра выполняет единая приемная антенна, после которой сиг-
нал подвергается временной обработке. При этом двумерный вход-
ной сигнал РЛС, с помощью антенны перед временной обработкой
преобразуется к одномерному виду, являющемуся функцией только
одной переменной - времени. При недостаточно низком уровне бо-
ковых лепестков антенны, в направлении которых сигналы отраже-
ний совпадают по доплеровской частоте с сигналом движущейся
цели, чувствительность РЛС может быть заметно снижена. В то же
время для сигнала цели, доплеровская частота которого отличается
от частоты сигналов, принимаемых по каким-либо конкретным бо-
ковым лепесткам, их наличие практически не сказывается, а влия-
ние оказывают другие боковые лепестки. Чтобы снизить влияние
отражений по боковым лепесткам передающей диаграммы, необ-
ходимо при создании согласованных фильтров для различных сиг-
налов от целей учитывать неодинаковость требований к их про-
странственным характеристикам.
Требование к пространственной характеристике каждого со-
гласованного фильтра заключается в дополнительном подавлении
19
РЛС АВИАЦИОННО-КОС МИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕ МНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУ ШНОГО ПРОСТ РАИС 1 В А
сигналов, принимаемых с определенных направлений, в то время
как с других направлений такое подавление не требуется.
Применение пространственно-временной обработки создает предпосылки для
улучшения характеристик обнаружения авиационной дозорной РЛС при наблю-
дении движущихся целей на фоне отражений от подстилающей поверхности, в
том числе при недостаточно низких боковых лепестках диаграммы направленно-
сти антенны. Актуальность такого подхода к задаче очевидна особенно в случаях
размещения антенн на самолетах-носителях, где задача снижения боковых ле-
пестков принципиально осложнена ограниченными габаритными размерами ан-
тенных устройств, необходимостью применения «радиопрозрачных» аэродина-
мических обтекателей и влиянием конструкций самолета.
Вторым, не менее важным и актуальным, аспектом примене-
ния пространственно-временной обработки в авиационных РЛС до-
зора является возможность создания в двумерной характеристике
пространственно-временного фильтра направленных минимумов
(нулей), ориентированных на источники активных помех. Как и в
случае мешающих отражений от подстилающей поверхности, при-
менение пространственно-временной обработки создает предпо-
сылки улучшения характеристик обнаружения целей при воздейст-
вии постановщиков активных помех по боковым лепесткам диа-
граммы направленноеги.
В последнее время в литературе появилось достаточно много
работ, посвяшенных пространственно-временной обработке сигна-
лов в импульсно-доплеровских РЛС (например, [45, 46]). Основной
темой этих работ явилось формулирование обших принципов пред-
ставления сигналов в двумерной области и синтеза согласованных
двумерных фильтров. В материалах данного параграфа основное
внимание обращается на конкретизацию двумерной модели сигна-
ла с привязкой к реальным характеристикам направленности ан-
тенн авиационных дозорных РЛС, а также на рассмотрение спосо-
бов реализации согласованных двумерных фильтров при реальных
возможностях цифровой обработки сигналов. При этом, в первую
очередь, обращено внимание на выявление возможностей про-
странственно-временной обработки для улучшения характеристик
обнаружения движущихся целей на фоне помех от подстилающей
поверхности и активных помех. В этой связи некоторые представ-
ленные материалы используют упрошенные модели, допускающие, в
ряде случаев, те или иные отклонения о г строгого рассмотрения,
требующего весьма большого объема магематического моделирова-
ния с вводом конкретных параметров и выходящего за рамки данной
работы. Тем не менее, приводимые материалы в данном параграфе в
пелом позволяют сделать выводы, по крайней мере, по следующим
двум важным позициям:
20
ГЛАВА I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
оценка эффективности применения пространственно-времен-
ной обработки с точки зрения улучшения характеристик обна-
ружения движущихся целей по сравнению с РЛС, применяю-
щей «обычную» обработку сигналов на фоне отражений от
подстилающей поверхности и активных помех;
формулирование требований к устройствам пространственно-
временной обработки сигналов, позволяющих приступить к
разработке их структуры и алгоритмов.
Модель сигналов самолетной РЛС дозора
Для синтеза согласованной с сигналом обработки, а также для
оценки эффективности ее применения необходимо создание моде-
ли радиолокационного сигнала. При этом будем полагать, что РЛС
построена по импульсно-доплеровскому типу. На вход импульсно-
доплеровской РЛС в каждый момент времени поступает сигнал от-
ражений от подстилающей поверхности, являющийся суммой эле-
ментарных сигналов, собранных с площади «импульсного кольца»,
ограниченного наклонной дальностью в пределах ст/2, где с - ско-
рость света, т - длительность зондирующего импульса. Если приме-
няется сжатие импульсов, то протяженность импульсного кольца по
дальности соответствует длительности сжатого импульса.
Обработка сигналов в импульсных РЛС обычно осуществляется дискретно, по
выборкам (квантам) дальности, период следования которых должен обеспечи-
вать сохранение разрешающей способности.
Распределение мощности сигнала от подстилающей поверхности
в одном кванте дальности в двумерном пространстве «азимут - часто-
та» напрямую зависит от формы и положения диаграммы направлен-
ности антенны по отношению к вектору скорости носителя РЛС.
На рис. 1.1 показан пример двумерного распределения плотно-
сти мощности сигналов самолетной обзорной РЛС в координатах
«азимут - доплеровская частота» [46]. По одной из осей отложен си-
нус азимутального угла 8т(азимут), отсчитываемого от нормали к
вектору скорости носителя РЛС. По другой оси отложена относи-
тельная доплеровская частота, являющаяся отношением истинной
доплеровской частоты к частоте повторения импульсов. Значения
относительной доплеровской частоты взяты в пределах однозначно-
го окна между гармониками частоты повторения (-0,5.. .+0,5).
Подобные модели сигналов будут существовать для каждого кванта дальности,
таким образом, совокупная модель полного сигнала РЛС будет ансамблем анало-
гичных моделей для всех обрабатываемых квантов дальности.
21
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Двумерная модель сигналов на рис. 1.1 соответствуют идеаль-
но когерентному зондирующему сигналу, бесконечно простираю-
щемуся во времени. Реальный сигнал, как правило, представляет
собой ограниченную во времени пачку. Кроме того, сигнал любого
реального передатчика подвержен мультипликативным амплитуд-
но-фазовым шумам. Эти факторы, в совокупности с процессом
смены отражающих участков на подстилающей поверхности из-за
перемещения РЛС, приводят к размыванию сигналов вдоль оси
частот (рис. 1.2, где показано рельефное изображение модели сум-
марного сигнала цели и отражений от подстилающей поверхности).
Цель
Обзорная РЛС
Рисунок 1.1
Рисунок 1.2
22
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Для уменьшения влияния отражений от подстилающей поверхности, вызванных
наличием боковых лепестков передающей ДНА, при приеме необходимо приме-
нять пространственный фильтр, роль которого в «обычной» РЛС выполняет
приемная антенна до временной обработки сигнала.
При использовании на самолете одной и той же апертуры для
формирования передающей и приемной диаграмм направленности
достижимые уровни боковых лепестков также будут одинаковыми
(во многих РЛС на прием и на передачу используется один и тот же
вход/выход единой антенны, переключаемый между приемником и
передатчиком с помощью дуплексного устройства).
Таким образом, если в качестве пространственного фильтра
применяется приемная антенна, то уровень плотности мощности
отражений от земли, принимаемый на боковых лепестках, по от-
ношению к главному максимуму, будет пропорционален квадрату
относительного уровня боковых лепестков по мощности (рис. 1.3).
Рисунок 1.3
Чтобы оценить эффективность применения приемной антенны
в качестве просгранственного фильтра, рассмотрим пример самолет-
ной РЛС дальнего радиолокационного обнаружения дециметрового
диапазона волн с однозначностью по дальности. Как показывают
расчеты, в такой РЛС при работе над сильно отражающими подсти-
лающими поверхностями, плотность мощности отражений от Земли,
принимаемых в импульсном объеме по главному максимуму ДНА на
рабочих дальностях, может достигать уровней, превышающих плот-
ность мощности внутренних шумов на 60...70 дБ. Чтобы исключить
влияние отражений, принимаемых по боковым лепесткам ДНА. не-
обходимо, чтобы плотность мощности этих сигналов была, по край-
ней мере, на порядок ниже плотности мощности внутренних шумов,
т.е. на 70...80 дБ ниже, чем в главном максимуме ДНА. Это означа-
23
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
ет, что, если в качестве пространственного фильтра используется
единая приемопередающая ДНА, относительный уровень ее боковых
лепестков не должен превышать -35.. .40 дБ.
Приведенные требования к уровням боковых лепестков ДНА во многих случаях
оказываются невыполнимыми. Главным препятствием в достижении требуемых
малых значений уровней лепестков являются ограничения размеров апертуры
антенн на самолетах, а также влияние близко расположенных элементов конст-
рукций самолетов. Заметное влияние на боковые лепестки ДНА оказывает необ-
ходимость применения на самолетах «радиопрозрачных» аэродинамических об-
текателей антенн.
Сегодня существует ряд самолетов ДРЛО (самолеты Е2-С
«Hawkeye» - США, AEW-8C «Wedgetail» - Австралия, AEW-2
«Erieye-С» - Швеция и др.), оснащенных РЛС дециметрового диа-
пазона волн, обеспечивающих однозначность измерения дальности.
Все они используют антенны с дискретными элементами, шрани-
ченные по горизонтали 6...7-ю метрами. По материалам в откры-
той печати, освещающим их использование в различных странах,
можно прийти к выводу о том, что область их эффективной работы
ограничивает ся морской подстилающей поверхностью.
При работе над сушей из-за недостаточно низкого уровня боковых лепестков
ДНА характеристики РЛС этих самолетов оказываются значительно хуже.
В сечении, взятом для одного из значений частоты двумерной
модели сигнала, отражения от земли, обязанные наличию боковых
лепестков ДНА, приобретают характер отдельных узких максиму-
мов. На рис. 1.3 показано сечение вдоль оси азимута (на централь-
ной частоте сигнала цели) двумерной модели суммарного сигнала.
Важным свойством максимумов, обязанных отражениям на
боковых лепестках в каждом частотном сечении является то, что
они не совпадают по направлению с главным максимумом, по ко-
торому ожидается полезный сигнал движущейся цели. Следова-
тельно, если бы удалось каким-либо способом локально уменьшить
величину максимумов отражений именно на этих направлениях,
задача дополнительного снижения влияния отражений о г Земли в
данном частотном сечении была бы решена. Для этого в рассмат-
риваемом частотном сечении должен быть создан подавляющий
пространственный фильтр с амплитудной характеристикой, обрат-
ной максимумам отражений от Земли (пунктир на рис. 1.3). Важно
отметить, что обработка сигнала даже для одного из значений
доплеровской частоты, кроме процедур, оперирующих во времени,
одновременно должна включать в себя и процедуры, оперирующие
в пространстве, т.е. являться пространственно-временной обра-
боткой.
24
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Для различных доплеровских частот должны создаваться раз-
личные подавляющие пространственные характеристики фильтров.
Требования к характеристике
оптимального пространственно-частотного фильтра
В связи с тем, что пространственные характеристики двумерного
фильтра должны быть получены на базе все той же, единственно
имеющейся на самолете, антенны, получение глубоких минимумов
во многие десятки децибел представляется чрезвычайно проблем-
ным. В то же время, получение пространственных минимумов глу-
биной 15...20 дБ представляется вполне реальным.
В этом плане очевидно, что отнюдь не отпадает задача минимизации боковых
лепестков исходной приемопередающей ДНА. Дополнительные подавляющие
пространственные фильтры должны только играть роль «дожатия» отражений
на отдельных боковых лепестках до приемлемого уровня.
Данное рассмотрение было бы неполным, если не вспомнить еще
одно важное требование к характеристике пространственно-времен-
ного фильтра - подавление сигналов источников широкополосных ак-
тивных помех. Характеристика двумерного фильтра, обеспечивающе-
го подавление активной помехи, должна быть пространственным ми-
нимумом, простирающимся на азимуте источника помехи в пределах
всех относительных частот. На рис. 1.4 представлено рельефное изо-
бражение результирующей амплитудной характеристики субопти-
мального пространственно-частотного фильтра.
Минимум для
подавления
помех от Земли
Максимум
для сигнала цели
Минимум для
подавления АП
Активная
помеха
Сигнал
це. 1и
Отражения
or Земли
Рисунок 1.4
Особую задачу представляет формирование глубокого мини-
мума в области отражений по главному максимуму ДНА. Здесь, по-
видимому, следует исходить из предпосылки нереальности создания
25
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
пространственного минимума необходимой глубины (70...80 дБ). Б
этой связи единственно приемлемым способом является формиро-
вание одномерного частотного минимума. Глубокое частотное
подавление может быть достигнуто с помощью режекторного (вы-
резающего) фильтра.
В общем, характеристика субоптимального двумерного
фильтра на фоне отражений от земли должна удовлетворять не-
скольким требованиям, каждое из которых может обеспечиваться
отдельными звеньями на том или ином этапе обработки.
Способы построения
пространственно-временной обработки
С помощью цифровых методов обычно реализуются дискретные
устройства обработки. Обработку двумерного сигнала целесооб-
разно производить с помошью семейства дискретных фильтров
(«гребенки» фильтров), отражающих те или иные сечения харак-
теристики оптимального фильтра в плоскости «азимут - частота».
При дискретизации по частоте период расстановки таких дискретных фильтров
(частотных каналов) выбирается из соображений сохранения разрешающей
способности РЛС по радиальной скорости. Каждый дискретный фильтр в этом
случае представляет собой один частотный канал, т.е. является дискретным про-
странственно-частотным фильтром.
Характеристика каждого такого фильтра вдоль оси азимута от-
ражает требуемую диаграмму направленности по азимуту для того
или иного канала доплеровской частоты. Если антенное устройство
представляет собой антенную решетку, в которой имеется возмож-
ность независимой обработки ансамбля выходных сигналов ее эле-
ментов, то создание набора различных ДНА для различных доплеров-
ских каналов становится реальным. При этом важным является то, что
частотные каналы обработки при выборе достаточной протяженности
пачки могут быть выношены с необходимой развязкой между собой
с помощью аподизации обрабатываемой пачки по специальному зако-
ну (законы «Дольф-Чебышева», «Натолла» и др.).
Основной задачей данного параграфа явилось рассмотрение возмож-
ностей применения пространственно-временной обработки в авиаци-
онной дозорной РЛС для улучшения характеристик обнаружения дви-
жущихся целей на фоне мощных мешающих отражений от подсти-
лающей поверхности и от источников активных помех. С помощью
пространственно-временной обработки сигналов появляются допол-
нительные возможности уменьшения влияния отражений от Земли и
сигналов источников активных помех по боковым лепесткам диаграм-
26
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ С ИСТЕ МЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
мы направленности антенны при их недостаточно низком уровне.
Можно ожидать дополнительное подавление тех и других помех, обу-
словленных наличием боковых лепестков диаграммы направленности
антенны не менее, чем на 25...30 дБ.
Рассмотрение способов построения пространственно-временной
обработки сигналов показывает, что необходимая двумерная характе-
ристика может быть получена с помощью набора дискретных времен-
ных (частотных) фильтров, каждый их которых обладает собственной
пространственной характеристикой. Для получения независимых про-
странственных характеристик различных частотных фильтров, каж-
дый из них должен независимо формироваться из полного числа эле-
ментов антенной решетки. Таким образом, наличие антенной решетки
с возможностью независимых операций с сигналами ее элементов яв-
ляется необходимым условием для создания устройства пространст-
венно-временной обработки
В связи с недостаточной пространственной развязкой (уровнем
боковых лепестков диаграммы направленности), необходимая вели-
чина развязки между дискретными фильтрами должна обеспечивать-
ся в частотной области. При выборе достаточной протяженности пач-
ки, необходимая развязка между частотными каналами может быть
достигнута с помощью аподизации обрабатываемой пачки по специ-
альному закону (законы «Дольф-Чебышева», «Натолла» и др.).
Особенно ощутимым эффект от применения пространственно-
временной обработки должен оказаться в дозорной РЛС дециметрово-
го диапазона волн, в которой из-за ограниченных размеров антенного
устройства и влияния конструкций самолета-носителя снижение уров-
ня боковых лепестков ДНА принципиально ограничено величинами,
как правило, не обеспечивающими подавление помех от «тяжелой»
подстилающей поверхности и от источников активных помех.
РЛС кругового обзора с АФАР
I для бортового комплекса
беспилотного летательного аппарата
При расположении РЛС кругового обзора (РЛС КО) на борту носи-
теля необходимо учитывать особенности конструкции последнего.
Желательно, чтобы угловое сканирование окружающего простран-
ства антенной радиолокатора происходило в секторе 360° без зате-
нения. Для удовлетворения данных требований наиболее подходя-
27
РЛС АВИАЦИ()ННО-КиСМПЧЕСКО1 О МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУ ШНОГО ПРОСТРАНС 1ВА
щей будет конструкция планера БЛА в виде, представленном на
рис. 1.5. В этом случае, как видно из рис. 1.5, антенна РЛС вместе с
обтекателем располагается на специальном хвостовом оперении.
Учитывая многофункциональность РЛС, ее антенную систему жела-
тельно реализовывать на базе АФАР, которая может быть выполнена
в виде кольца или многогранника. Как вариант, возможно исполне-
ние антенной системы в виде полуактивной ФАР (ПАФАР), когда в
приемопередающих модулях (ППМ) распределенной системы отсут-
ствуют СВЧ элементы, обеспечивающие излучение мощности зон-
дирующего сигнала, а имеется общий сосредоточенный передатчик,
выполняющий данные функции. На рис. 1.6 схематично представле-
но исполнение АФАР в форме кольца и в виде равностороннего тре-
угольника, вписанного в окружность с радиусом, соответствующим
радиусу кольца. Горизонтальные размеры активизированной части
кольцевой АФАР не уступают размерам сторон треугольника при
любом положении луча по азимуту. Достоинством кольцевой АФАР
по сравнению с трехгранной решеткой является то, что на всех ази-
мутальных направлениях обеспечивается минимальная ширина луча
и максимальная эффективная площадь антенны.
Полнота
треугольной
АФАР
Рисунок 1.6
В трехгранной же АФАР неизбежно имеют место падение эф-
фективной площади и расширение главного луча диаграммы на-
правленности антенны (ДНА) при больших отклонениях по азимуту.
В частности, при отклонении главного луча на 60° эффективная
площадь антенны уменьшается вдвое, а луч вдвое расширяется.
28
ГЛАВА /. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНС1ВЕННО ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ С И1 НАЛОВ
Диаграммы направленности кольцевой АФАР
Предположим, что АФАР состоит из N однотипных приемоизлу-
чающих элементов, расположенных с равным шагом по кольцу
(рис. 1.7) и к каждому ее элементу подключен ППМ, обеспечи-
вающий работу антенны как в режиме передачи, так и в режиме
приема радиолокационных сигналов. Одновременно в решетке ис-
пользуется (активизируется) ровно столько ППМ, сколько требуется
для обеспечения заданного уровня мощности зондирующего сигнала
на передачу и обеспечения направленных свойств (на рис. 1.7 данная
часть полотна антенны выделена штрих-пунктиром).
Формирование передающей диаграммы направленности на за-
данном азимуте осуществляется с помощью выставки требуемого фа-
зового распределения между излучающими элементами, которое
обеспечивает компенсацию кривизны излучающего полотна. Главный
максимум передающей диаграммы направленности в азимутальной
плоскости будет расположен по нормали к центральному столбцу за-
действованной части АФАР (рис. 1.7). Здесь же показано положение
фазового фронта волны, принимаемой с углового направления в.
В вертикальной плоскости диаграмма направленности форми-
руется приемопередаюшими элементами-столбцами АФАР. С по-
мощью фазовращателей, находящихся в составе передающих кана-
лов ППМ, возможно создание узкой суммарной диаграммы столбца
АФАР на передачу и её электронное качание. Для снижения уровня
вертикальных боковых лепестков передающей ДНА можно реали-
зовать спадающее амплитудное распределение с помощью атте-
нюаторов каналов ППМ.
Нормаль к центральному элементу
?а действ* кванн* >й части АФАР
(главный максимум ДНА)
ФроЙТЧ4ОТШ>1
Рисунок 1.7
29
РЛС АВИ. ЩИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВО ЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВ 1
Сигналы с выходов приемных каналов ППМ подвергаются аналого-цифровому
преобразованию в две квадратуры. С помощью мультиплексора цифровые вы-
ходы ППМ поступают в приёмный процессор АФАР, где создаётся необходимое
число приемных лучей.
Для уменьшения дальних азимутальных боковых лепестков ДН
элементы активной решетки обладают направленностью в горизон-
тальной плоскости, близкой к cos2 по модулю поля (рис. 1.8).
На рис. 1.9-1.12 приведены расчетные ДНА для активизиро-
ванной части АФАР, реализованной в виде кольца с диаметром, рав-
ным 4,0 м, для дециметрового диапазона длин волн и шагом между
элементами решетки, равным половине длины волны. На рисунках
приведены ДНА в азимутальной плоскости в диапазоне углов ±90°
(рис. 1.9), ±15° (рис. 1.10), ±1,5° (рис. 1.11) и в вертикальной плоско-
сти в диапазоне углов ±12° (рис. 1.12). Как видно из приведенных
рисунков, обеспечивается достаточно узкая ДНА главного луча (по
уровню минус 3 дБ), что позволяет реализовать высокую разрешаю-
щую способность обзорной РЛС по угловым координатам.
Азимутальный упп, град
Рисунок 1.9
30
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИ1 НАЛОВ
Рисунок 1.10
Азимута [ьный угол, град
Рисунок 1Л1
Рисунок 1.12
31
РИС АВИЛЦИОННО-КОСКШЧЕСКбГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ИВОЗДХ ШНОГО ПРО( ТРАНСТВА
Энергетический потенциал РЛС и режимы ее работы
Активизированная часть кольцевой АФАР в нашем случае включа-
ет примерно 4 900 приемопередающих элементов. Если предполо-
жить, что мощность излучения одного ППМ равна 10 Вт, то сум-
марная импульсная мощность может составить 49 кВт. Если счи-
тать суммарные потери в ППМ, не превышающие 1,5 дБ (1,4 раза
по мощности), то суммарную импульсную мощность можно при-
нять равной 35 кВт.
Геометрическую площадь активизированной части решетки
для данных условий можно считать равной 1,4 м“. За счет спадаю-
щего распределения поля в раскрыве активизированной части
АФАР коэффициент использования её геометрической площади
будет меньше единицы (примем его равным ~ 0,7). Тогда эффек-
тивную площадь антенны 5-,ф можно считать равной 1 м2. В резуль-
тате коэффициент усиления антенны на передачу <711рд (в направле-
нии главного максимум ДНА), определяется соотношением [3]
бпрд=—А ол
где 2 - длина волны, будет примерно равен 104 (40 дБ).
Опираясь на основное уравнение радиолокации [1], запишем
соотношение, определяющее величину импульсной мощности Рп
отраженного сигнала от точечной цели, находящейся на направле-
нии главного максимума ДНА:
( _ 1 изч ^прд^эф^ц
и “ . . .9-/1 ’
(4 л-)2/?
где егц - эффективная площадь отражения (ЭПО) цели; R - расстоя-
ние до цели.
В то же время, спектральная плотность мощности внутренних
шумов Аш, пересчитанная к входу АФАР, определяется как
*ш=^кТ, (1.3)
где Nq -- шум-фактор приёмного тракта; к - постоянная Больцмана;
Т - термодинамическая температура входных цепей (произведение
кТ для температуры Г - 300 К равно 4 10 21 Вт/Гц).
Полагая, что обработка принятого сигнала ведется оптималь-
ным образом, определим отношение Q„ пиковои мощности выход-
ного радиоимпульса к средней мощности шумов на выходе согла-
сованного фильтра в виде
и
^7”
32
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
где
и ии
- энергия принятого АФАР радиоимпульса вследствие отражения
зондирующего сигнала от точечной цели, ти - длительность радио-
импульса.
Для получения заданной вероятности правильного обнаруже-
ния отраженного сигнала от цели на фоне внутренних шумов отно-
шение QH должно достигать значений, превышающих некоторую
пороговую величину ^лор. Тогда условие обнаружения, выраженное
через энергию Эи отраженного радиоимпульса, будет иметь вид
и
Поскольку энергия радиоимпульса равна произведению его
мощности на длительность, с учетом (1.6) выражение для импульс-
ной мощности может быть представлено в виде
D . (?пор^г
и
и
Используя (1.7) и учитывая (1.2), можно записать неравенство,
из которого можно определить необходимую мощность излучения
для обеспечения задачи обнаружения воздушной точечной цели с
требуемым качеством:
^ИЗЛ^ГфД^эф^Ц Йюр^О^^ QX
(4я)2Л4
и
Из (1.8) следует, что
> епор^0АГ(4я)27?
* ИЗЛ — ~ ~
и'^РД°эФСЦ
Для определения дальности обнаружения цели с заданной ве-
личиной ЭПО и требуемым качеством необходимо трансформиро-
вать формулу (1.9) с учетом потерь /;1на, обусловленных случайным
возможным изменением положения цели относительно направле-
ния главного максимума ДНА, который обычно оценивается на
уровне 2 дБ (1.6 раза по мощности)
и
ИЗЛ * И^пр I
33
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Обнаружение воздушных целей
При решении задач обнаружения воздушных целей желательно ис-
пользовать высокую частоту повторения зондирую] цих радиоим-
пульсов, при которой обеспечивается большое число когерентных
накоплений отраженных сигналов, а также однозначность измере-
ния доплеровского смещения частоты отраженных сигналов от
движущихся целей и получение необходимой ширины частотных
окон, свободных от периодического спектра отражений от подсти-
лающей поверхности [2, 4].
Как отмечалось ранее, значение QBOp, входящее в (1.10), будет
определяться в соответствии с требуемым качеством обнаружения
и, в свою очередь, определять число эффективно накапливаемых
радиоимпульсов.
Например, при спектральной обработке пачки, состоящей из
256-ти импульсов, на основе быстрого преобразования Фурье с ам-
плитудным взвешиванием число эффективно накапливаемых им-
пульсов приближенно равно 200. Для выдерживания вероятности
ложных тревог на уровне, не превышающем 10 6...10 , величина
Q110p составит около 0,1 (или около -10 дБ). С учетом данного заме-
чания максимальная дальность обнаружения, рассчитанная в соот-
ветствии с выражением (1.10) при длительности зондирующих ра-
диоимпульсов 1 мкс и различных величинах ЭПО воздушных це-
лей, приведена в табл. 1.1 (строка 1).
Таблица 1.1
№ п.п. Параметр ЭПО, м2
0,1 1,0 10,0
1 Максимальная дальность обнаружения, км 98 175 311
2 Максимальная дальность обнаружения с учетом потерь, км 77 138 245
Представленные в строке 1 значения максимальной дальности
не учитывают потери, вызванные поглощением электромагнитных
волн в атмосфере, и, кроме того, характеризуют обнаружение только
в одном кадре работы РЛС на фиксированной частоте повторения.
Энергетические потери только за счет поглощения в атмосфере на
приведенных дальностях могут достигать нескольких децибел. Для
восстановления однозначной дальности до цели на каждом азиму-
тальном направлении, определяемом положением главного луча
ДНА, необходима работа с несколькими кадрами, отличающимися
частотами повторения импульсов (на протяжении каждого кадра ра-
боты РЛС частота повторения должна быть неизменной).
34
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Совместная вероятность обнаружения цели в трёх кадрах ра-
боты подряд будет заметно ниже, чем вероятность обнаружения в
одном кадре, что также можно оценить как эквивалентные потери
радиолокационного потенциала, примерно равные 2 дБ. Если при-
нять совместные энергетические потери по указанным причинам
равными 4 дБ, то максимальная дальность обнаружения с учетом
потерь будет соответствовать значениям, приведенным в строке 2
табл. 1.1.
В начале каждого кадра, после смены частоты повторения, не-
избежно возникает переходной процесс установления отражений от
подстилающей поверхности, во время которого спектральная обра-
ботка сигнала оказывается невозможной. Эю время (при полёта но-
сителя РЛС на высоте 16 км), составит примерно 3 мс. Поэтому пол-
ная длительность кадра при обработке с помощью БПФ N импульсов
должна составить Ткадр > АТП + 3-10 Jc, где Ладр- длительность кадра
работы РЛС на одной частоте повторения, Тп - период повторения
импульсов; А- число импульсов, обрабатываемых БПФ.
Если исходить из возможного значения скважности излучения
около 10... 12, го при длительности импульса около 1 мкс, длитель-
ность периода повторения должна составить 10... 12 мкс. При
А = 256 длительность когерентно обрабатываемой части кадра со-
ставит 2,5...3,Оме. Прибавив к этой части кадра время переходного
процесса, получим, что полная длительность кадра должна быть по-
рядка 6 мс. При этом половина мощности излучения расходуется как
бы «впустую», что вызвано стремлением обеспечить высокопроиз-
водительный режим обзора с восстановлением однозначной дально-
сти «на проходе».
Для повышения КПД излучения необходимо удлинение кадра и его когерентно
обрабатываемой части, однако возможности восстановления однозначной даль-
ности при этом ухудшаются.
Если периоды повторения в соседних кадрах будут отличаться
на 1 мкс, ю интервал однозначности дальности после её восстанов-
ления по двум кадрам составит около 15 км, что явно недостаточно
в диапазоне дальности действия РЛС. Поэтому необходимо приме-
нение не менее трёх кадров с периодами повторения, различающи-
мися не менее, чем на мкс.
Время радиолокационного сеанса в одном азимутальном поло-
жении ДНА должно составить три полных кадра или около 18 мс.
При электронном сканировании с шагом около 0,5° для про-
смотра круговой азимутальной зоны потребуется 720 положений
луча, что составит около 13 с. Учитывая возможности электронно-
го «прицеливания» луча по приоритетным целям, этого темпа ос-
35
РЛС АВИ,\ЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУ LUHOI0 ПРОСТРАНСТВА
зора круговой зоны должно быть достаточно. С применением по-
вторных радиолокационных сеансов по приоритетным целям, вре-
мя просмотра круговой зоны будет нарастать в соответствии с их
числом и временем, необходимым для «обслуживания» каждой це-
ли. Время радиолокационного сеанса в «прицельном» режиме, для
повышения вероятности обнаружения цели с применением более
трёх частот повторения, ориентировочно составит около 30 мс.
Обнаружение надводных целей
Для беспилотного аппарата создание информационного поля над-
водной обстановки может оказаться весьма важным в особенности
для удалённых акваторий, не охватываемых радиолокационными
полями береговых и корабельных РЛС. В силу весьма узкого азиму-
тального луча и повышенной разрешающей способности по дально-
сти данный режим работы РЛС может оказаться весьма полезным и
для обзора поверхности суши при получении оперативной радиоло-
кационной карты, а также при обнаружении наземных целей с доста-
точно большой величиной ЭПО.
Частоту повторения импульсов в этом режиме целесообразно
выбирать достаточно низкой с тем, чтобы обеспечить однозначность
измерений по дальности в круговой зоне обзора (~ 300 Гц). Длитель-
ность излучаемых радиоимпульсов, предельно возможная для полу-
чения длительности сжатого сигнала, не более 0,1 мкс. Полагая ре-
ально выполнимым значение коэффициента сжатия импульсов, рав-
ное 128. получим, что длительность излучаемых импульсов должна
составить около 13 мкс.
В качестве сложного сигнала наиболее приемлемо использование зондирующей
последовательности радиоимпульсов с внутриимпульсной линейной частотной
модуляцией (ЛЧМ). Ширина девиации частоты ЛЧМ в этом случае должна быть
около 10 МГц.
На вход АФАР, в каждом азимутальном положении луча, бу-
дут одновременно поступать отражения как от сосредоточенных
целей (при их наличии в пределах ДНА), так и от распространён-
ной по дальности и азимуту подстилающей поверхности (моря). В
этой связи для накопления сигналов сосредоточенных целей на фо-
не отражений от морской поверхности желательно проводить де-
корреляцию последних за счёт смены несущей частоты зондирую-
щего сшнала от импульса к импульсу. Разнос несущих частот из-
лучаемых импульсов должен быть достаточным, чтобы спектры
радиоимпульсов не перекрывались в пределах всей зондирующей
пачки. В этом случае сигнал подстилающей поверхности становит-
ся подобен некоррелированному шуму.
36
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Накопление сигнала от сосредоточенной цели, не являющейся,
в общем, точечной, на фоне некоррелированного шума возможно
только некогерентным способом. При числе импульсов, не превы-
шающем 10...20, потери на некогерентное накопление ещё не столь
велики и данный способ будет достаточно эффективен.
В качестве подтверждения данного вывода на рис. 1.13 приве-
дены графики, характеризующие изменение отношения сигнал/шум
на входе системы обработки, при котором достигается требуемая ве-
роятность правильного обнаружения в условиях когерентного (пунк-
тирная линия) и некогерентного (сплошная линия) накопления при
вероятности ложной тревоги 10 7.
Отношение мощностей сигнал-шум. дБ
Рисунок 1.13
Если исходить из той же длительности радиолокационного се-
анса, что и при круговом обзоре в режиме обнаружения воздушных
целей, то число импульсов в пачке будет 6. Энергетические потери
некогерентного накопления составят всего 1 дБ, а выигрыш - около
7 дБ. В данном режиме также возможны повторные радиолокаци-
онные сеансы (в выбранных секторах «прицеливания»), при кото-
рых может быть увеличено число накапливаемых импульсов. На-
пример, при увеличении числа импульсов в пачке до 20-ти энерге-
тический выигрыш составит 9... 10 дБ.
Максимальная дальность действия при решении задач обна-
ружения надводных целей приведена в табл. 1.2. При оценке дан-
ной величины было использовано соотношение (1.10) в предполо-
жении, что Спор = 7 (5 дБ).
37
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Таблица 1.2
№ п.п. Параметр ЭПО, м2
100,0 1820,0 3640,0
1 Максимальная дальность обнаружения цели на фоне внутренних шумов, км 400 — —
2 Максимальная дальность обнаружения цели на фоне отражений от морской поверхности, км 245 200 400
В строке 1 представлено значение дальности, определяющее
достаточный энергетический потенциал, когда обнаружение цели в
виде некрупного катера ведется на фоне только внутренних шумов
приемного канала при ти =10 мкс.
При оценке максимальной дальности обнаружения цели на
фоне отражений от морской поверхности (строка 2) последнюю не-
обходимо рассматривалась как поверхностно распределенную
цель. Величина сгц такой цели определяется через удельную величи-
ну ЭПО [1], примем ее равной 10 2, и одновременно отражающую
площадь поверхности, которая зависит от ширины диаграммы на-
правленности антенны в азимутальной плоскости, углового положе-
ния главного лепестка ДНА в угломестной плоскости, длительности
сжатого сигнала на выходе системы обработки и дальности до мор-
ской поверхности.
В нашем случае на дальности 200 км сгц = 260 м". Отталкиваясь
от данной величины и учитывая эффект декорреляции, получаем
значения минимальных значений ЭПО целей, обнаруживаемых со-
ответственно на дальности 200 и 300 км (строка 2).
Особенностью режима обнаружения надводных целей являет-
ся наличие фоновых отражений от морской поверхности, которые
будут присутствовать в любом секторе обзора в пределах 360°,
снижая эффективность обнаружения сосредоточенных целей.
Это обязывает при обработке радиолокационных сигналов ис-
пользовать отмеченную процедуру накопления полезных сигналов
(отраженных сигналов от сосредоточенной цели) на фоне декорре-
лированных помех от морской поверхности.
Панорамное отображение земной поверхности
с получением радиолокационной карты
Достаточно высокий радиолокационный потенциал при работе РЛС в
режиме обнаружения надводных целей позволяет осуществить об-
зорный режим земной поверхности в пределах радиогоризонта (в ра-
38
ГЛАВА I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИТ НАЛОВ
диусе около 400 км). При использовании на наземном пункте, напри-
мер индикаторов кругового обзора (ИКО), возможно отображение на
них панорамного изображения земной (морской) поверхности.
При данном формате отображения на экране ИКО весьма чётко
прописываются границы море - суша и наблюдается отражение от
надводных кораблей на фоне морской поверхности, а также доста-
точно хорошо просматривается отражение рельефа, что позволяет
распознавать занятые сушей территории, а также обнаруживать неко-
торые характерные сосредоточенные объекты на суше. Это обстоя-
тельство позволяет характеризовать панорамное отображение как ра-
диолокационную карту.
Панорамное отображение может использоваться на начальном
этапе после вывода БЛА в заданный район дежурства для опера-
тивной оценки обстановки и определения наличия группировок
надводных объектов. Более подробная информация должна полу-
чаться в режимах «прицеливания» с реализацией полной разре-
шающей способности РЛС.
Измерение азимута и угла места
Ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной
плоскости составляет примерно 0,5°, поэтому для измерения азиму-
та цели в режиме «на проходе» целесообразно использовать мет од
максимума. Шаг перемещения луча при дискретном сканировании
по азимуту равен его ширине на уровне около -2 дБ.
Ошибка отсчета азимута при данном методе измерения соста-
вит не более трети от величины шага сканирования, т.е. около 0,2°
или 10... 12 угл. мин. Ошибка измерения тангенциальной состав-
ляющей положения цели относительно оси АФАР (СКО) при этом
составит около 0,7 км на дальности до цели 200 км. Учитывая не-
избежные навигационные ошибки, можно считать, что эта точность
вполне достаточна. Важным достоинством указанного метода явля-
ется то, что измерение азимутального угла осуществляется «на
проходе» в процессе обзорного сканирования луча по азимуту.
В то же время ширина ДНА в вертикальной плоскости весьма
велика и составляет примерно 7,0°. При отсутствии достаточно бы-
строго сканирования луча по вертикали желательно применять мо-
ноимпульсный метод измерения угла места с использованием двух
разнесенных приемных лучей [Г|. Измерение угла места цели отно-
сительно центра передающего луча (начала отсчета) в этом случае
обеспечивается за счет сравнения амплитуд сигналов, принимае-
мых одновременно по двум приемным лучам (нижнему и верхне-
му). в соответствии с выражением
39
Р 7С АВИАЦИОННО- КОСМИЧЕСКОГО л 1ОНИ ТОРИИГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОС ТРАНСГВА
где А], А2 - амплитуда сигналов в верхнем и нижнем каналах соот-
ветственно, с последующим определением отклонения от равно-
сигнальною направления Д0 с помощью умножения величины А на
коэффициент , который зависит от ширины приемных лучей
в вертикальной плоскости, их формы, величины разноса, а также от
градиента радиопрозрачного обтекателя, искажающего форму лу-
чей в зависимости от величины их отклонения в от нормали:
Д0 = Д-^(6>), (1.12)
где 0 — величина, соответствующая положению равносигнального
направления (РСН) относительно нормали к АФАР. При использо-
вании данного метода сохраняется практически линейная зависи-
мость А от углового отклонения от РСН в пределах ±0 j/2, где в А
ширина диаграммы направленности антенны в вертикальной
плоскости. Однако из-за наличия боковых лепестков как у приём-
ных, так и передающей ДНА, на уровнях амплитудного соотноше-
ния, превышающих по модулю 0,5, возможны появления неодно-
значности. В этой связи измерение отклонения от РСН следует ог-
раничить значениями (Д] - Д2)/(А + А)> не превышающими 0.5.
Точность измерения углового отклонения (СКО) в соответствии
с (1.11), (1.12) в области достоверных измерений составит примерно
0,1 от ширины ДНА, т.е. примерно 0,7° или около 40 угл. мин.
Рассмотрение возможностей построения дозорной РЛС кругового обзо-
ра на беспилотном летательном аппарате показывает, что имеются тех-
нические предпосылки для положительного решения данной задачи.
Сдерживающим фактором при реализации данного проекта могут
быть только экономические вопросы, связанные со стоимостью приё-
мопередающих модулей, число которых в кольцевой АФАР достаточно
велико.
Развитие микроэлектроники и налаживание серийных технологий
по производству ППМ в отечественной промышленности позволяют
надеяться на существенное снижение стоимости элементной базы для
разработки АФАР, следовательно, и обзорного комплекса на БЛА.
40
ГЛАВА /. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
РЛС управления воздушным движением
на основе антенных систем с АФАР
В настоящее время в системе организации управления воздушным
движением используются следующие типы наземных радиолокаци-
онных систем:
• обзорные аэродромные (ОЛР-А);
• трассовые (ОРЛ-Т), посадочные (ПРЛС);
• обзор летного поля (РЛ ОЛП).
Из них различают две основные группы РЛС: первичные и
вторичные. Первые, как правило, обеспечивают диспетчерский со-
став информацией о дальности и азимуте воздушных объектов (це-
лей), а также о местоположении зон опасных метеообразований.
Вторые позволяют получить информацию о координатах воздуш-
ного судна и дополнительную информацию (бортовой номер, оста-
ток топлива, сигналы об аварийных ситуациях) [28, 29].
Анализ состояния существующего парка указанных РЛС сис-
темы УВД показывает что в России и других странах, прежде всего
в странах СНГ, предприятиями Аэронавигации эксплуатируется
большое количество старых радиолокаторов, особенно Л-диапазона
(длина волны 23 см). На сегодняшний день они устарели как физи-
чески, так и морально. Существует проблема обеспечения их за-
пасными частями ввиду прекращения производства многих входя-
щих в их состав комплектующих изделий.
Основные принципы построения и функционирования
существующих обзорных первичных РЛС
• Использование вакуумных СВЧ устройств для формирования
мощных СВЧ импульсных сигналов (единицы мегаватт) с це-
лью обеспечения заданной дальности действия.
• Использование вращающихся зеркальных антенн с вращаю-
щимися сочленениями в волноводно-коаксиальном тракте.
• Построение приемного тракта с обработкой принимаемого сиг-
нала, как в аналоговой, так и цифровой форм;
• Использование сигналов с низкой частотой повторения и, как
правило, применение устройств селекции движущихся воздуш-
ных объектов, в виде схем череспериодной компенсации.
41
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Указанные принципы построения и практической реализации
рассматриваемых РЛС носят исторически сложившийся характер.
В то же время, анализ принципов построения существующих и
перспективных РЛС различного назначения, например бортовых
систем обнаружения, наведения и целеуказания, показывает, что
при их реализации характерным является:
• использование активных фазированных антенных решеток, в
том числе и с реализацией цифровых приемных антенных ре-
шеток;
• использование сигналов с высокой и средней частотами повто-
рения импульсов с последующей доплеровской спектральной
селекцией отраженных сигналов и длительным когерентным
накоплением;
• реализация алгоритмов обработки отраженного сигнала как на
этапе первичной, так и на этапе вторичной обработки инфор-
мации в специализированном цифровом вычислителе.
Указанные принципы реализации РЛС обеспечивают высокую
эффективность функционирования при наблюдении воздушных
объектов, в частности, бортовых РЛС [24].
Для повышения эффективности УВД все большее применение
находят принципы навигации, основанные на применении техноло-
гии АЗН (ADS-B - Automatic Dependent Surveillance Broadcast). Эта
технология является методом наблюдения, при котором ВС авто-
матически, по линии передачи данных, передают в центр УВД ин-
формацию о местоположении и параметрах полета, полученную от
бортовых пилотажно-навигационных систем.
В качестве основного инструмента определения навигацион-
ных параметров воздушного судна (скорость, высота, курс, коор-
динаты ВС) используется спутниковая система глобального пози-
ционирования GPS (ГЛОНАСС).
В центрах системы УВД передаваемые с борта ВС данные об-
рабатываются и отображаются на рабочем месте диспетчера так же,
как и радиолокационная информация. Перекрывающиеся поля двух
систем наблюдения (радиолокационной и АЗН) дают диспетчеру
единое поле наблюдения, которое будет распространено на нижнее
воздушное пространство и области с различными дефектами ра-
диолокационного поля.
Функции приема и передачи данных на борту ВС реализуются
в специальном ответчике. Анализ принципов построения АЗН по-
казывает, что с течением времени они способны, в значительной
степени, вытеснить вторичные РЛС.
42
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Анализ состояния аэродромной сети в РФ показывает, что имеется достаточно
большая потребность в ПРЛС, при этом к ПРЛС предъявляются повышенные тре-
бования по мобильности, что, в свою очередь, влечет за собой повышенные тре-
бования к массогабаритным характеристикам РЛС.
Представленные выводы, перспективы развития радиолокаци-
онных систем [2, 38] свидетельствуют о том, что необходимы раз-
работка и создание РЛС УВД нового поколения. В первую очередь,
это касается обзорных первичных РЛС.
Основным направлением реализации рассматриваемых РЛС
можно считать направление, при котором обеспечивается снижение
аппарат уроемкосги за счет повышения программоемкости [38]. При
таком подходе аппаратные функции ограничиваются только реше-
нием задач генерирования и излучения сигналов, а все остальные
функции обеспечивает вычислительная техника.
Исходя из сказанного, можно предположить, что перспектив-
ная РЛС представляет сочетание двух основных элементов - ан-
тенной системы в виде АФАР и системы цифровой обработки
(СЦО). Один из возможных вариантов схемного построения пер-
спективной РЛС представлен на рис. 1.14 [2].
Система цифровой обработки включает многоканальный циф-
ровой приемник, цифровое устройство формирования сигналов,
унифицированный процессор, адаптер интерфейса. Для передачи
данных целесообразно использование интерфейса RapidlO (быст-
рый ввод/вывод).
Указанные специализированные цифровые устройства и вы-
числительные модули процессоров, объединенные линиями связи,
представляют собой, по сути, специализированную вычислитель-
ную систему, которая реализует заданные функциональные алго-
43
РЛС' АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНО! О ПРОСТРАНСТВА
ритмы и обмен информацией между специализированными устрой-
ствами, стандартными модулями, а также внешними источниками и
потребителями информации.
Создание специализированной вычислительной системы (СВС) потребует разра-
ботки функциональных алгоритмов, а затем программного комплекса и разра-
ботки или выбора подходящих готовых модулей, отвечающих требованиям по
реализации соответствующих алгоритмов, включая передачу данных, интегра-
цию аппаратуры и программного комплекса и последующую отработку СВС в со-
ставе РЛС.
Требования к СЦО по решению основных задач
с учетом функционального назначения
первичных РЛС систем УВД
• Обнаружение воздушных объектов.
• Измерение фазовых координат (дальности, угловых координат в
горизонтальной и вертикальной плоскостях, скорости) воздуш-
ных объектов.
• Траекторное сопровождение воздушных объектов.
В настоящее время пристальное внимание уделяется исследо-
ваниям по практической реализации РЛС с цифровыми антенными
решетками [12].
При использовании ЦАР в каждом приемопередающем модуле,
как правило, в приемной части модуля, размещается аналого-
цифровой преобразователь и, соответственно, на выходе каждого
приемного канала формируется сигнал в цифровом виде. В даль-
нейшем сигналы с каждого канала поступают на диаграммо-
образующую схему. где производится их суммирование по заданно-
му алгоритму. В результате «формируется» требуемый набор про-
странственных лучей диаграммы направленности антенны. Как
правило, это суммарный (по всем каналам) луч ДНА, разностные лу-
чи ДНА в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
В этом случае схема, представленная на рис. 1.14, трансфор-
мируется в схему, показанную на рис. 1.15.
Это приведет к тому, что будут существенно снижены требо-
вания к процессору обработки сигналов или даже отпадет необхо-
димость его использования.
В ЦАР может быть реализована первичная обработка принимаемых радиолока-
ционных сигналов (сжатие сигналов, согласованная фильтрация и т.д.).
Основные достоинства и недостатки ЦАР известны [12]. От-
меним лишь, что главной проблемой при их реализации является
высокая стоимость, особенно для антенн с большим (сотни и тыся-
чи) числом каналов.
44
ГЛАВА I. РАДИОЛОГА ЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРА БОТКОЙ СИ1 НАЛОВ
Указанные обстоятельства свидетельствуют о том, что задача
разработки перспективной РЛС системы УВД сводится фактически
к разработке следующих основных элементов - АФАР, алгоритми-
ческому и программному обеспечению и обоснованию требований
к специализированному вычислителю.
Исходя из этого, рассмотрим возможные варианты реализации
АФАР при проектировании перспективной обзорной РЛС для сис-
темы УВД.
Характеристики, которыми должна обладать
обзорная трассовая РЛС (приложение 3) [11]
Максимальная дальность действия.................. не менее 350 км
Угол обзора в горизонтальной плоскости.................... 360°
Период обновления информации........................ не более 10 с
Разрешающая способность по азимуту ................. не хуже 1,3°
Длина волны ........................................ 10 или 23 см
45
Р 1СЛВИ ЩИОННО-КОСМПЧЕС КОГО МОНИТОР И HI i ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗД~* ШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Характеристики, которыми должна обладать
обзорная аэродромная РЛС (приложение 4) |11]
Максимальная дальность действия................ не менее 160 км
Угол обзора в горизонтальной плоскости.................. 360п
Период обновления информации....................... нс более 6 с
Длина волны ....................................... 10 или 23 см
Указанные нормативы установлены для вероятности правиль-
ного обнаружения не менее 0,8 при вероятности ложной тревоги,
равном 10 6, по воздушному судну (ВС) с эффективной площадью
отражения (ЭПО), равной 15 м".
При разработке АФАР целесообразно использовать следующий подход: реализо-
вать антенную систему, состоящую из нескольких независимых (с точки зрения
управления амплитудно-фазовым распределением, соответственно положением
ДНА) граней, например, как это показано на рис. 1.16.
При таком подходе антенное полотно обеспечивает всенаправ-
ленное излучение и прием сигналов за счет переключения отдельных
полотен и электрического сканирования луча диаграммы направлен-
ности в каждом полотне. Отдельные антенные полотна располагаются
на гранях правильного шестиугольника, каждая грань которого фор-
мирует узкий луч, который посредством электрического сканирования
обеспечивает секторный обзор пространства в зоне ± 30° по азимуту,
т.е. зона обзора по азимуту в пределах одной грани составляет 60°.
При условии, что разрешающая способность по азимуту со-
ставляет 2°, период обновления информации равен 6 с, угловые по-
зиции не пересекаются, время нахождения луча ДНА на одной уг-
ловой позиции составит 200 мс. В этом случае время когерентного
46
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
накопления может быть увеличено, как минимум, до 40...50 мс, что
позволит обеспечить требуемую дальность действия РЛС.
Выполним ориентировочный расчет структуры одной грани
(одного полотна АФАР) исходя из условия обеспечения требуемого
энергетического потенциала РЛС.
В общем случае, уравнение дальности для РЛС может быть
записано в виде
7^4 _ ^Л^н^прл^прм67!!^ Z Л , ~х
(4^)36ZnA07V0e
где Ри - излучаемая импульсная мощность, Вт; Ти - длительность на-
копления отраженного сигнала, с; Д - максимальная дальность до
объекта, м; Q - скважность излучаемого сигнала; - пороговое от-
ношение сигнал/шум; ац - обобщенный коэффициент потерь, 2 - ра-
бочая длина волны, м; G - коэффициент усиления антенны на пе-
редачу, раз; С2фМ - коэффициент усиления антенны на прием, раз;
сгц - эффективная площадь рассеяния цели, м“; А70 = кТш - спектраль-
ная плотность мощности шума; к - 1,38-lCTz3 - постоянная Больцма-
на, Дж/К; Tlu - эффективная шумовая температура системы.
Эффективная шумовая температура системы может быть рас-
считана в соответствии с выражением 7Ш = ГО(АШ -1), где То - тер-
модинамическая температура окружающей среды, К (обычно
То = 290 К), кш - коэффициент шума (при использовании АФАР
можно считать, что « (3,5...5) дБ).
Уравнение (1.13) позволяет определить основные энергетиче-
ские требования к антенной системе. Так, например, если использу-
ется зеркальная антенна, щелевая антенная решетка или пассивная
ФАР, тогда из данного уравнения определяются значения коэффици-
ентов усиления антенны на передачу и прием. При этом учитывают-
ся различного рода потери через коэффициент су, а также эффектив-
ная шумовая температура системы.
Параметры, которые необходимо определить
при использовании АФАР (1,13)
• Энергетический потенциал АФАР на передачу II 1рц = Pv ..,6 , так
как передатчик является неотъемлемой частью антенны и раздель-
ные измерения коэффициента усиления раскрыва антенны и излу-
чаемой АФАР мощности невозможны.
47
РЛС АВИАЦИОННО-КОС МИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
• Энергетический потенциал АФАР на прием (параметр качества)
27* =<^прм/Ли > так как приемник (в приемопередающем модуле)
является неотъемлемой частью антенны и раздельные измерения
коэффициента усиления раскрыва антенны и эффективной шумо-
вой температуры невозможны.
При формировании требований к АФАР целесообразно и не-
обходимо пользоваться понятиями энергетических потенциалов.
Из (1.13) можно получить, что
77 /7 = (^л) капКрОД (1 14)
/2прд7'прм -2 * v 7
27н<ТцЛ
Энергетический потенциал АФАР на передачу 77прп при рав-
номерном амплитудном распределении (в излучении по нормали к
полотну АФАР) можно записать в виде
(1-15)
где РИ1 - импульсная мощность сигнала на выходе одного излуча-
теля; Gi - коэффициент усиления одного излучателя АФАР; N
число излучателей (ППМ) АФАР; g - коэффициент, учитывающий
форму полотна АФАР.
Если полотно имеет прямоугольную форму раскрыва, то
g = 1, а если круглую, то g « 0,86 .
Энергетический потенциал АФАР на прием можно записать в
виде
(116)
прм гр ’
Ли
где q - коэффициент использования поверхности полотна АФАР на
прием.
При прямоугольном раскрыве полотна с уровнем боковых ле-
пестков -23 дБ q = 0,81, при круглой форме с уровнем боковых ле-
пестков -24 дБ также q - 0,81.
При отклонении диаграммы направленности от нулевого угла необходимо учи-
тывать потери параметра качества за счет сканирования диаграммы и его
уменьшение за счет диаграммы направленности излучателя.
Из (1.15), (1.16) следует, что
и рд прм
ш
где 7„, = 290°(&,u - 1) и при кш = 3,5 дБ, 7],, = 357°.
48
ГЛАВА I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Из (1.17) следует, что N определяется выражением
(118)
В табл. 1.3 представлены, для примера, результаты расчетов не-
обходимого количества излучателей, исходя из обеспечения требуемо-
го энергетического потенциала РЛС. Результаты расчетов выполнены
при следующих исходных данных: к = 1,3810~23 Дж/К, оу = 10 дБ,
/?о = 20 дБ (—100 раз) - пороговое отношение сигналчпум, обеспе-
чивающее вероятность правильного обнаружения 0,8 при вероят-
ности ложной тревоги 10 6, кш = 3 дБ, Д = 160 км, g = 1, q = 0,81
(прямоугольный раскрыв антенны), Gi = 3 дБ.
Таблица 1.3
Длина волны РЛС, см Время когерентного накопления, мс Импульсная мощность на выходе канала 1, Вт Скважность зондирующего сигнала Эффективная поверхность отражения цели, 2 М Число излучателей АФАР, шт.
23 20 50 5 15 210
10 20 50 5 15 365
23 20 200 5 15 132
23 30 200 5 15 115
23 20 200 10 15 166
В то же время, как известно [6], N - определяется также исходя
из ширины диаграммы направленное! и решетки в соответствующей
плоскости, сектора сканирования, возможности размещения излучате-
лей и ППМ с заданным шагом в выделенном пространстве.
Так, для плотно заполненного полотна с равномерным ампли-
тудным распределением, для расчета N можно использовать сле-
дующие соотношения. Шаг между излучателями (каналами) равен
dx-dy- 0,65А . Тогда для прямоугольного раскрыва по требуемой
ширине диа1раммы направленности можно определить размер ан-
тенны вдоль осей X (по азимуту) и Y (по углу места) используя со-
ответственно выражения
20“ Б = 50,8—град , (1.19)
Nydx
49
Р. 1С АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕ МНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗД1 ШНО1 О ПРОС ТРАНСТВА
2071Б=5О,8-Д- град. (1.20)
NYdy
Обшее число каналов для прямоугольного раскрыва полотна
равно N = N \Ny. Для круглого раскрыва
2^азТь =58,5А град, (1.21)
г. z-
где R - радиус раскрыва, а общее число каналов Л «----.
dxdy
В табл. 1.4 (для длины волны 23 см) и табл. 1.5 (для длины
волны 10 см) представлены результаты расчетов необходимого
числа излучателей и геометрические размеры полотна антенны в
соответствующей плоскости, исходя из требуемого значения ши-
рины диаграммы направленности антенны. Считаем, что полотно
имеет прямоугольную форму.
Таблица 1.4
zc-ЗдБ » град 2/9ум град к АЛ, м А,, м
1,3 22,5 60 ~4 8,97 0,56 240
2,0 10 39 «8 5,83 1,12 312
Таблица 1.5
2^б , град 2^ , г рад М- АЛ, м Д, м N
1,3 22.5 60 ~4 3,9 0,26 240
2,0 10 39 «8 2,5 0,52 312
Анализ результатов, представленных в табл. 1.3-1.5, показывает, что при раз-
работке РЛС с АФАР имеется возможность «поиграть» параметрами зонди-
рующего сигнала (длительность когерентного накопления, скважность), сни-
зить (повысить) требования к выходной импульсной мощности сигнала на вы-
ходе передающего модуля АФАР. Целесообразность и возможность использо-
вания того или иного (10 см или 23 см) диапазона волн, конструктивное
исполнение АФАР и т.д.
50
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Другим возможным подходом, аналогичным рассмотренному
в п.1.2, к реализации АФАР для перспективной РЛС УВД является
использование неподвижной кольцевой АФАР, состоящей из N од-
нотипных приемоизлучающих элементов, расположенных с рав-
ным шагом по кольцу (рис. 1.17).
К каждому элементу кольцевой ФАР подключен активный
приемопередающий модуль, содержащий дуплексное устройство,
позволяющее разделить сш налы приема и излучения.
Подача СВЧ-мощности для раскачки выходных усилителей
ППМ осуществляется с помощью распределительного устройства
передачи. Перед выходным усилителем передающим канал каждо-
го ППМ содержит управляемый фазовращатель.
Распределительное устройство передачи обеспечивает одина-
ковую раскачивающую мощность, подводимую ко входам ППМ.
Необходимое фазовое распределение между излучающими элемен-
тами АФАР устанавливается с помощью фазовращателей, находя-
щихся в передающих каналах ППМ.
Формирование передающей диаграммы направленности на заданном азимуте
осуществляется с помощью включения передающих усилителей ППМ соответ-
ствующей части ФАР и задание требуемого фазового распределения между из-
лучающими элементами, компенсирующего кривизну излучающего раскрыва.
Главный максимум передающей диаграммы направленности будет расположен
по нормали к центральному элементу задействованной части АФАР. При этом
только за счет переключения ППМ обеспечивается дискретное сканирование
передающего луча по азимуту.
Таким образом, приемоизлучающие элементы АФАР пред-
ставляют собой конструкцию в виде «столбца», состоящего из А
излучателей-«этажей», в совокупности формирующих диаграмму
направленности в вертикальной плоскости.
51
РЛС' АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕС КОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
В рассматриваемых РЛС представляется перспективным ис-
пользование сигналов с ВЧП и СЧП. За счет указанных типов сиг-
налов, в сочетании с реализацией длительного (от носительно РЛС с
НЧП) когерентного накопления, возможно использование им-
пульсных сигналов с достаточно низкой импульсной мощностью
(единицы киловатт), что отвечает требованиям экологичности
(низкая спектральная плотность мощности), и в то же время обес-
печивает требуемую дальность действия РЛС.
Применение узкополосной доплеровской селекции позволяет измерить ради-
альную составляющую скорости наблюдаемого объекта, повысить разрешаю-
щую способность РЛС за счет высокой разрешающей способности по доплеров-
ской частоте (скорости объекта), обеспечить обнаружение движущихся объек-
тов, в большинстве случаев, на фоне внутренних шумов приемного устройства.
Другим основным элементом перспективной РЛС УВД явля-
ется СВС. Естественно, что структура СВС и предъявляемые к ней
требования зависят от решаемых по предназначению задач. Но в то
же время немалое значение имеет и выбранный вариант реализации
АФАР.
Варианты построения СВС
при конструктивном варианте АФАР (рис. 1.16)
• Использование одного мощного вычислителя, в котором ре-
шаются задачи сигнальной и вторичной обработки сигналов.
• Использование специализированных вычислителей (процессо-
ров первичной обработки сигнала, по числу граней), решаю-
щих задачи обнаружения и однозначного измерения координат
и параметров движения обнаруженных объектов, и одного об-
щего процессора обработки данных, в котором решается зада-
ча автоматического траекторного сопровождения целей и оп-
ределяется управление функционированием всего комплекса.
• Использование совокупности независимых (по числу граней)
вычислителей, каждый из которых обеспечивает решение за-
дач первичной и вторичной обработки сигналов в пределах од-
ной грани.
Второй вариант построения СВС является наиболее целесооб-
разным. так как позволит существенно снизить требования к обоб-
щенному процессору обработки данных (относительно первого ва-
рианта), как по производительности (быстродействию), так и по
скорости обмена данными как с потребителями, так и между моду-
лями обработки сигналов в процессоре.
Третий вариант построения СВС является малооправданным с
точки зрения снижения конструктивных характеристик (размеров)
радиолокационного комплекса.
52
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ С HI НА. 1ОВ
При использовании конструктивного варианта АФАР в виде
ЦАР особенностью построения СВС является то, что на вход СВС
поступает поток цифровых отсчетов. При этом, в зависимости от
реализации диаграммообразующей схемы (числа формируемых
диаграмм направленности), величина потока может составлять до
десятков гигабайт в секунду. Исходя их этого, необходимо обра-
тить особое внимание на оценку возможностей СВС по приему и
обработке поступающих цифровых отсчетов.
Обозначенные направления развития РЛС УВД соответствуют
требованиям ИКАО и ФАП [40] по радиотехническому обеспечению
полетов, по темпу обновления информации о воздушных объектах,
дальности действия, разрешающей способности по угловым коорди-
натам, а соответствующий выбор сигналов обеспечит и выполнение
требований разрешающей способности по дальности и скорости.
В общем случае, с учетом анализа состояния разработок по АФАР в РФ,
можно предположить, что:
в ближайшей перспективе (2-3 года) может быть налажено произ-
водство ППМ (приемопередающих модулей различных диапазонов
волн) в промышленных масштабах, что существенно сократит затраты
на разработку АФАР;
использование РЛС системы УВД с АФАР позволит существенно по-
высить надежность РЛС (отсутствие вращающихся элементов в РЛС,
выход из строя до 30 % ППМ несущественно снижают характеристики
РЛС);
использование РЛС системы УВД с АФАР и системой обработки сиг-
налов, реализованной в СВС, позволит снизить габаритные размеры
РЛС, ликвидировать специальные устройства размещения («кунги»),
предназначенные для размещения элементов приемопередающего
тракта;
единый (в методическом отношении) подход к разработке и созда-
нию линейки РЛС системы УВД (трассовые и аэродромные обзорные
РЛС, посадочные РЛС, РЛС обзора летного поля), созданный научно-
технический задел позволит снизить затраты на разработку и серийное
производство указанных РЛС, что сделает их привлекательными (в це-
новом отношении) для потенциального заказчика.
53
Р 7С АВИАЦИОИНО-KOCXh 1ЧЕСКО10 МОНИТОРИН11 ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ! f ВОЗДХ ШНОГО ПРОСТРАНС. ТВА
Бортовая РЛС многофункционального
авиационного комплекса разведки,
оповещения и управления
с цифровой ФАР
Многофункциональные авиационные комплексы разведки, опове-
щения и управления являются дальнейшим развитием авиационных
комплексов радиолокационного дозора и наведения. Как ожидается,
данные комплексы будут обладать повышенной эффективностью
функционирования за счет расширения состава их военных и граж-
данских функций и повышения количественных и качественных ха-
рактеристик информационного поля на борту самолета-носи геля как
за счет наращивания тактико-технических характеристик основного
информационного датчика - обзорной РЛС, так и за счет оснащения
дополнительными датчиками информации (радиотехнической раз-
ведки, ИК-датчиками, аппаратурой РСА с получением радиолокаци-
онных изображений на борту самолета и др.) [34].
Если исходить из задач бортовых РЛС, применяемых в сущест-
вующих АК РЛДН, например задач, решаемых комплексами А-50
(Россия) и AWACS (США), главной из которых является обеспече-
ние радиолокационного информационного поля, в том числе поля
госопознавания, в круговом зоне, по воздушным и надводным це-
лям, то применение имеющихся тяжелых носителей с вращающим-
ся надфюзеляжным обтекателем антенны РЛС с фазовым (электри-
ческим) управлением луча в вертикальной плоскости достаточно и
близко к оптимальному [9, 19].
При вращающемся обтекателе обеспечивается круговая зона обзора, наилуч-
шим образом используются отведенные размеры для раскрыва антенны, на-
стройка антенного полотна производится в условиях антенного полигона с по-
лучением сверхнизкого уровня боковых лепестков диаграммы направленности
антенны. При этом для сохранения характеристик антенны на всем сроке экс-
плуатации не требуются специальные и сложные виды технического обслужи-
вания.
Антенны обзорных РЛС как в AWACS’e, так и в А-50, явля-
ются по антенной классификации «гибридными ФАР» с механиче-
ским вращением вокруг одной оси и электрическим отклонением
луча вокруг другой. Метод отклонения луча по вертикали - фазо-
вый при неподвижном относительно обтекателя полотне антенны.
54
ГЛАВА I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИТ НАЛОВ
Необходимые направления повышения характеристик
обзорной РЛС для задач МАК РОУ
Расширение угломестной зоны обзора.
Повышение точности измерения угловых координат целей.
Повышение радиолокационного потенциала.
Повышение разрешающей способности по радиальной скорости
целей.
Снижение минимального значения радиальной скорости обна-
руживаемых целей.
• Повышение качества радиолокационной информации после
первичной обработки (снижение числа пропусков целей, сниже-
ние числа ложных целей, в том числе «альтимезровых» отметок,
вызванных отражениями на вертикальных лепестках ДНА и др.
• Ввод высокопотенциального режима всеракурсного обнаруже-
ния воздушных целей, находящихся в зоне прямой видимости
на дальности, превышающей расстояние до радиогоризонта
(выше радиогоризонта).
• Добавление второго радиолокационного канала в дециметровом
диапазоне волн для повышения вероятности обнаружения и со-
провождения малозамез ных целей и «обычных» целей в услови-
ях умышленных помех, чзо необходимо для работы самолета
МАК РОУ в системе разведывательно-ударного комплекса [34],
предназначенного для обнаружения и уничтожения наиболее
важных одиночных и групповых объектов противника в глубине
расположения его войск независимо от метеорологических ус-
ловий и времени суток.
Кроме того, в фюзеляже самолета-носителя МАК РОУ необ-
ходимо высвобождение значительных площадей, занятых сегодня
аппаратурой обработки сигнала и мощным передающим устройст-
вом РЛС, для размещения рабочих мест новых членов тактического
экипажа.
Наилучшим образом поставленные задачи могут быть решены с помощью ак-
тивной фазированной антенной решетки, размещаемой во вращающемся обте-
кателе и построенной с использованием современных достижений в области
СВЧ и цифровых технологий.
Достижения последних лет в области малошумящих усилите-
лей СВЧ-мощности со скрещенными полями (СВЧ-усилительных
приборов типа «М») [46], а также в области монокристаллических
быстродействующих АЦП и ЦАП позволяют создавать АФАР в
сантиметровом диапазоне волн, базирующиеся на «интеллектуаль-
ных» приемо-передающих антенных модулях с высоким КПД
(терминология «интеллектуальные» употребляется в зарубежной
55
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКО! О МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУ ШНО1 О IIРОС 'ТРАНСТВА
литературе и в последнее время получила широкое распростране-
ние и в российской научно-технической литературе). Технология
«интеллектуальной антенны» позволяет строить цифровую АФАР
без применения аналоговых фазовращателей и без сложных и гро-
моздких диаграммообразующих устройств [35, 36].
Принцип построения приемо-передающей части «интеллекту-
ального» модуля АФАР поясняется на рис. 1.18.
Рисунок 1.18
Замена аналоговой диаграммообразующей схемы с управлением аналоговыми
фазовращателями на высокоточный цифровой диаграммообразующий процес-
сор позволяет подключить малошумящие усилители и усилители мощности не-
посредственно к дуплексам излучающих элементов решетки с минимальными
потерями энергии сигнала. Управление распределением поля в раскрыве ан-
тенной решетки осуществляется цифровыми процессорами, формирующими
диаграмму направленности на передачу и на прием в цифровом виде.
Отметим, что диаграммообразующий процессор передачи по-
зволяет полностью сформировать зондирующий сигнал, т.е. одно-
временно с формированием передающей ДНА выполняет функции
возбудителя передатчика. В частности, при движущемся носителе
импульсно-доплеровской РЛС одной из функций возбудителя яв-
ляется выработка компенсирующею сдвига частоты сигнала -
«компенсация скорости носителя».
Из аналоговых устройств сосредоточенного приемопередат-
чика практически остается только когерентный СВЧ-гетеродин.
56
ГЛАВА /. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИ1 НАЛОВ
Цифровая АФАР обладает возможностью оперировать в реальном времени ам
плитудно-фазовым распределением в раскрыве приемной и передающей ФАР.
На рис. 1.19 показана предлагаемая структурная схема встраи-
вания элементов гибридной АФАР (ГАФАР) в антенное устройство
во вращающемся обтекателе.
Щелевыг волноводы («этажи») антенного полотна
(используются волноводы, имеющиеся в существугощем антенном блоке)
Диаграммообразующий iipoi icccop
СВЧ гетеродины
Рисунок 1.19
Блоки управления и электропитания ГАФАР (в том числе
анодный модулятор для усилителей СВЧ-мощности) должны раз-
мещаться в объеме вращающегося обтекателя.
Причины, по которым вариант размещения
мощного анодного модулятора в фюзеляже
крайне нежелателен
• Возникновение необходимости передачи мощных высоковольт-
ных импульсов с короткими фронтами через вращающееся кон-
тактное устройство и достаточно протяженную кабельную ли-
нию, что само по себе является сложной технической задачей.
• Большой уровень излучаемых электромагнитных полей, что от-
рицательно скажется на внутрифюзеляжной обстановке в части
электромагнитной совместимости различных компонентов ра-
диотехнического и павцгацйонтюго комплексов самолета.
В качестве выходных СВЧ-усилителей приемо-передающих
модулей (ППМ) ГАФАР предполагается использовать электрова-
куумные приборы (ЭВП) со скрещенными полями (в которых элек-
трическое и магнитное поле расположены под прямым vtbom), час-
57
РЛ( 1ВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКО10 МОНИТОРИНГ 1 ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУ ШНОГО ПРОСТРАНСТВА
то называемые ЭВИ типа «М». К СВЧ-приборам типа «М?> отно-
сятся амплитроны, дематроны, биматроны («ЛБВ-М»), магнетроны
и ряд других приборов.
Важным достижением разработчиков ЭВП типа «М» за по-
следние годы явились исследования по снижению шума и побоч-
ных явлений, наблюдаемых в приборах этого типа и являвшихся до
последнего времени серьезным препятствием к их применению в
высококогерентных РЛС. На сегодня можно считать реальным
снижение интегрального шума до уровня минус 80...90 дБ, что яв-
ляется приемлемым для РЛС рассматриваемого типа [46].
В результате предварительных проработок представляется це-
лесообразным создание «интеллектуального» ППМ по принципу,
представленному на рис. 1.18.
В ППМ сосредоточено выполнение всех необходимых функ-
ций для формирования ДНА ГАФАР с помощью диаграммообра-
зующих процессоров:
• выработка зондирующего сигнала по цифровому «портрету» с
помощью когерентного СВЧ-гетеродина передачи и быстродей-
ствующего ЦАП;
• усиление зондирующего сигнала;
• дуплексная развязка передача/прием и усиление принимаемых
сигналов с малым шум-фактором;
• преобразование принимаемых сигналов к промежуточной частоте
с помощью когерентного СВЧ-гетеродина приема и преобразова-
ние в цифровую форму с помощью быстродействующего АЦП;
• обмен цифровой информацией с диаграммообразующими про-
цессорами;
• выработка сигналов встроенных датчиков для контроля работо-
способности.
Функции диаграммообразующих процессоров
• Выработка цифровых «портретов» зондирующих сигналов с не-
обходимым фазовым сдвигом для различных ППМ:
для формирования ДНА на передачу и обмен с ЦАП, находя-
щимися в ППМ,
для снижения плотности обменной цифровой информации
между центральным процессором и ППМ целесообразным представ-
ляется вариант рассредоточенного передающего процессора, когда в
каждом ППМ размешается гндивидульный процессор, вырабаты-
вающий свой цифровой сигнал в реальном времени, непосредствен-
но воздействующий на ЦАП
• Прием оцифрованных сигналов из ППМ и формирование необ-
ходимого числа приемных ДНА. По причинам, указанным для
58
ГЛАВ. 1 /. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТР1НСТВЕИНО-ВРЕ МШНОЙ ОБРАДО!КОЙ СИ1Н АЛОВ
передающего процессора, в каждом ППМ целесообразно раз-
мещение индивидуального приемного процессора, осуществ-
ляющего преваризельную обработку принимаемых сигналов с
преобразованием их к двум квадратурным составляющим, со-
гласованной с длительностью импульса фильтрации и прорежи-
ванием временных выборок.
Обмен радиолокационной информацией с устройством обработ-
ки сигналов РЛС.
Включение тестового режима ГАФАР и контроль работоспо-
собности с точностью до ППМ.
Основные режимы работы РЛС
Режим квазинепрерывного излучения - для обнаружения и со-
провождения движущихся воздушных целей.
Режим излучения с низкой частотой повторения длинных ЛЧМ-
импульсов высокой энергии (вышегоризонгный (ВГ) режим)
для всеракурсного обнаружения и сопровождения воздушных
целей, находящихся выше линии радиогоризонта и на расстоя-
ниях, превышающих дальность радиогоризонта.
Режим излучения с низкой частотой повторения импульсов с
расширенной полосой линейной частотной модуляции (режим
морских целей) - для обнаружения и сопровождения надводных
кораблей с улучшенным разрешением по дальности.
Режим квазинепрерывного излучения
Крутовой обзор в заданной угломестной зоне осуществляемся по-
строчно. При этом ГАФАР формирует в угломестной плоскости
один луч на передачу (сплошная линия) и два луча на прием (пунк-
тирная линия), как показано на рис. 1.20. Каждая угломестная
строка для каждого азимутального положения ДНА стабилизиро-
вана относительно горизонтальной плоскости с учетом крена и тан-
гажа самолета-носителя.
Рисунок 1.20
*
59
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Электрическое управление в угломестной плоскости осущест-
вляется дискретно-фазовым методом одновременно по передаю-
щим и приемным лучам ГАФАР Шаг дискретного угломестного
сканирования составляет небольшую долю от ширины луча. Пере-
ключение угла места (в том числе для стабилизации зоны обзора
при эволюциях самолета-носителя) происходит в моменты смены
частоты повторения КНИ, т.е. во время излучения и приема коге-
рентной пачки на одной частоте повторения положение лучей ГА-
ФАР остается неизменным.
Обработка принимаемых эхо-сигналов осуществляется циф-
ровым способом в двух идентичных каналах «пеленгационной па-
ры». После когерентной обработки, выполняющей селекцию сиг-
налов движущихся целей на фоне мощных помех от подстилающей
поверхности и когерентное накопление, осуществляется сложение
и вычитание амплитуд сигналов в каждом элементе разрешения
скорость - неоднозначная дальность.
По суммарному сигналу вырабатываются адаптирующиеся
пороги и осуществляется обнаружение сигнала цели.
По разностному сигналу в элементе разрешения, где обнару-
жен сигнал, производится расчет угломестного отклонения линии
визирования обнаруженной цели от равносигнального направления
по формуле
где Д6* - отклонение от равносигнального направления (РСН); At и
А2 - амплитуда сигнала с верхнего и с нижнего лучей пеленгацион-
ной пары; к масштабный коэффициент.
Формула является дискриминационной характеристикой двух
сдвинутых по углу амплитудных характеристик направленности
[31] относительно некоторого нулевого направления, называемого
«равносигнальным направлением». В радиолокации для нее часто
применяют термин пеленгационная характеристика.
Точность измерения угла с использованием пеленгационной ха-
рактеристики вблизи ее нуля приближается к потециально достижи-
мым значениям, при этом ошибка измерения угла отклонения по пе-
ленгационной характеристике возрастает по мере удаления от ее нуля.
Электрическое управление угломестным положением луча по-
зволяет в процессе циклического обзора осуществить подрежим
прицеливания по сопровождаемым целям, когда в азимутальном
стробе производится быстрая установка равносигнального направле-
ния пеленгационной пары ДНА в положение, измеренное в преды-
60
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИ/ НАЛОВ
дущих сеансах зондирования. При этом, с учетом сглаживания меж-
ду замерами, будет происходить «подтягивание» равносигнального
направления к истинному положению цели. Важным фактором при
этом является то, что ошибка измерения по формуле принимает ми-
нимальное значение (вблизи нуля пеленгационной характеристики).
Ожидаемая точность (среднеквадратическая ошибка) измерения от-
носительного угла места цели при названном методе - около 0,1 от
ширины ДНА в одном радиолокационном контакте.
Азимут цели определяется по средневзвешенному значению в
азимутальной пачке. При ожидаемом усовершенствовании цифро-
вой обработки сигнала в РЛС с ГАФАР СКО отсчета относитель-
ного азимута цели ожидается в пределах 0,3...0,4 от азимутального
дискрета между квазинепрерывными пачками (циклы когерентной
обработки).
Для когерентной обработки сигнала применяются современные логические ин-
тегральные схемы с высокой производительностью и разрядностью, позво-
ляющие существенно повысить тактико-технические характеристики РЛС.
Число зондирований в квазинепрерывной пачке на одной частоте
повторения около 200. Способ спектрального анализа - быстрое пре-
образование Фурье (БПФ) на 128 точек со специапьным амплитудным
взвешиванием окна БПФ, позволяющим получить диапазон частотной
селекции до 98 дБ.
После когерентной обработки производится первичное обна-
ружение отметок целей и их первичная обработка в высокопроиз-
водительной универсальной бортовой ЭВМ, позволяющая с высо-
кой достоверностью восстанавливать однозначную дальность до
целей, отсеивать «альтиметровые» помехи, порождаемые на верти-
кальных боковых лепестках ДНА и практически полностью использо-
вать потенциальные возможности РЛС для получения необходимых
точностных характеристик.
Режим излучения с низкой частотой повторения
длинных импульсов с высокой энергией
Круговой обзор осуществляется одной угломестной строкой, ста-
билизированной относительно горизонтальной плоскости.
Приемные лучи ГАФАР переключаются вверх примерно на по-
ловину их ширины с тем, чтобы нижний приемный луч совпадал с пе-
редающим лучом. Цифровая обработка отраженных сигналов произ-
водится только по нижнему лучу.
В процессе обработки осуществляется сжатие ЛЧМ-импульсов,
некогерентное накопление амплизуд азимутальной пачки импульсов,
автоматическая выработка порога, обнаружение превысивших порог
61
Л 7С АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГ 1 ЗЕ МНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
сигналов целей и подготовка информации для отображения и сопро-
вождения цепей. Ввиду возможности наличия отдельных «загори-
зонтных» помех от подстилающей поверхности, захват отметок на со-
провождение производится вручную в ограниченном азимутально-
дальностном с гробе.
Режим излучения с низкой частотой
повторения импульсов
с широкополосной линейной частотной модуляцией
Круговой обзор, как и в режиме ВГ, осуществляется одной угломе-
стной строкой, стабилизированной относительно горизонтальной
плоскости. Нижний приемный и передающий лучи, совпадающие по
максимуму, с помощью фазового распределения в раскрыве ГАФАР,
расфокусируются таким образом, чтобы получить наименьшую
«мертвую» воронку над подстилающей (морской) поверхностью.
Формируется зондирующий ЛЧМ-импульс, который излуча-
ется в пространство, и осуществляется сжатие ЛЧМ-импульсов при
приеме.
Принятый сигнал после сжатия подвергается детектированию
в специальном УПЧ-амплитудном детекторе с логарифмической
характеристикой в широком динамическом диапазоне, преобразо-
ванию в цифровой код и цифровой обработке.
При цифровой обработке вырабатывается «плавающий» порог
над фоном отражений от моря и производится обнаружение превы-
сивших порог отметок.
Обнаруженные отметки поступают в два параллельно рабо-
тающих канала:
• канал подготовки информации для панорамного отображения;
• канал для подробного отображения (в выбранных азимутально-
дальностных стробах) и автоматического (или полуавтомати-
ческого) сопровождения.
При подготовке информации для панорамного отображения
осуществляется объединение отметок в интервалах задержки, согла-
сованных с разрешающей способностью на экране монитора. Одно-
временно с информацией отраженных сигналов на экране отобража-
ются введенные оператором азимугально-дальностные стробы.
По пультовым командам в отведенных областях экрана отображается инфор-
мация из стробов, обладающая полной разрешающей способностью. По этой
информации возможно автоматическое сопровождение (при ручном захвате
отметок) или полуавтоматическое сопровождение, когда оператор «подправ-
ляет» положение маркера относительно положения отметки, а передвижение
маркера осуществляется автоматически по экстраполированным данным.
62
ГЛАВА 1 РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Радиолокационный канал L-диапазона длин волн
Ранее отмечалось, целесообразность использования второго канала
обзорной РЛС в Z-диапазоне длин волн для повышения вероятности
обнаружения и сопровождения скоростных и малозаметных целей
(рис. 1.21) и «обычных» целей в условиях преднамеренных помех.
Для решения задач разведки по наземным целям на борту носителя МАК РОУ,
кроме традиционного радиолокатора с синтезированием апертуры антенны в
сантиметровом диапазоне волн, целесообразно иметь второй канал РСА - в де-
циметровом диапазоне, позволяющий обнаруживать объекты сквозь листву,
«спрятанные» за деревьями и кустами, а также ряд объектов, накрытых мас-
кировочными покрывалами, достаточно эффективно поглощающими радио-
волны сантиметрового диапазона и недостаточно толстыми, чтобы поглощать
радиоволны дециметрового диапазона (рис. 1.22).
Рисунок 1.21
Рисунок 1.22
63
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
На радиолокационный канал //-диапазона могут также быть воз-
ложены функции по всеракурсному обнаружению воздушных целей
на дальностях, превышающих расстояние до радиогоризонта, а также
по обнаружению надводных кораблей на фоне отражений от морской
поверхности, значительно меньших, чем в сантиметровом диапазоне.
Для РЛС в /-диапазоне должна быть создана гибридная АФАР.
Одним из вариантов может быть ГАФАР /-диапазона, комплексиро-
ванная с антенными устройствами госопознавания и системы переда-
чи команд (на противоположной стороне вращающегося обтекателя).
Проведенный анализ принципов построения антенной системы для но-
вого поколения самолетов дозора позволяет считать, что наиболее пер-
спективным и целесообразным, в части затрат на разработку и преем-
ственность, направлением усовершенствования бортовой обзорной РЛС
является применение «интеллектуальной» цифровой АФАР, разме-
щаемой во вращающемся радиопрозрачном обтекателе тяжелого само-
лета дозора.
Достаточно обоснованным представляется внедрение в сущест-
вующую антенную систему «гибридной» АФАР, построенной с помо-
щью сравнительно небольшого числа приемо-передающих модулей.
Наиболее подходящими для задач приемо-передающих модулей гиб-
ридной АФАР являются новые электровакуумные приборы типа «М»,
обеспечивающие необходимо низкий уровень шумов и побочных яв-
лений.
Важным аспектом построения гибридной АФАР для перспективных
самолетов дозора является придание ей качества «интеллектуальной
антенны», когда сложные и громоздкие аналоговые диаграммообра-
зующие устройства заменяются высокоточными цифровыми устройст-
вами, базирующимися на современных цифровых технологиях.
Кроме выигрыша массо-габаритных показателей, необходимого
для размещения в обтекателе требуемого числа приемо-передающих
модулей и их источника питания, «интеллектуальная антенна» позво-
лит с помощью перепрограммирования достаточно легко вносить лю-
бые изменения в диаграмму направленности, в том числе - оперативно,
непосредственно в полете.
Наращивание тактико-технических характеристик РЛС, получаемое
с применением интеллектуальной цифровой АФАР, позволит на ее ос-
нове перейти к построению авиационного комплекса дозора нового по-
коления (МАК РОУ).
64
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Для решения задач поиска, обнаружения, сопровождения и распо-
знавания воздушных целей радиолокационная станция поставляет
информацию путем зондирования некоторой зоны пространства [1,
24]. При этом ограниченные возможности антенной системы РЛС
по формированию многолучевой диаграммы направленности обу-
словили необходимость последовательного во времени просмотра
контролируемой зоны.
Это ограничение не снимается и для наиболее совершенных
РЛС с фазированными антенными решетками, установленными на
механический привод для вращения полотна антенны. Антенны та-
кого типа сочетают достоинства механического и электронного
сканирования: практически безинерционное электронное сканиро-
вание и возможность компенсации эффекта расширения главного
луча ДН при его отклонении от нормали к полотну решетки за счет
механического вращения полотна антенны.
Формализация задачи обзора пространства
Процедура обзора пространства многофункциональной РЛС (тра-
ектория сканирования) определяет функциональную зависимость
пространственных и спектральных характеристик излучаемого РЛС
сигнала от времени:
_т/ \ х-'' (h + 0,5Af
u(z)=2z-rect Az.
i \ i s
(1-18)
- отсчет траектории сканирования (элемент зондирова-
ния); Ж, - дискрет зоны пространства одновременно просматривае-
мый РЛС (определяется характеристиками ДН антенны), зондирова-
ние которого в течение интервала времени [6, 6+Дб) осуществляется
сигналом с заданными спектральными характеристиками (Ж);
t е + Д/,-),
t + Д^),
65
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
где i - номер такта зондирования пространства; Л/ - длительность
z-го такта зондирования пространства (излучение, прием, обработка
и накопление сигнала с заданной угловой позиции).
В общем случае задача поиска оптимальной траектории обзо-
ра пространства формализуется следующим образом:
U*(/)= opt'1 Л'(и(/)), (1.19)
где С/д - множество допустимых траекторий обзора пространства
(траектории управления положением главного луча ДН антенны и
спектральными характеристиками сигнала РЛС); К(.) - показатель
качества, характеризующий эффективность решения частных задач
РЛС при заданной траектории управления U(t).
Множество С/д формируется в результате усечения всевозмож-
ных вариантов траекторий путем введения некоторых требований.
Дополнительные требования к U(t)
• Нахождение Ж/ в пределах зоны обзора, определяемой режи-
мом работы радиолокатора.
• Возможность установки (отклонения) луча ДН антенны в уг-
ловую позицию Ж/ в момент времени tj.
• Согласование динамики изменения Ж, с логикой изменения
спектральных характеристик сигнала РЛС. Так, для импульс-
но-доплеровской РЛС [1] эта логика учитывает алгоритмы
смены частоты повторения импульсов с целью снятия различ-
ного рода неоднозначностей измерений.
Реализация любой траектории сканирования пространства характеризуется не-
которыми показателями эффективности решения частных задач РЛС. В процес-
се развития тактической ситуации ценность информации, поставляемой РЛС из
различных областей пространства, изменяется. На ранних этапах функциони-
рования РЛС приоритетной является задача обнаружения. Далее более важной
может стать задача сопровождения целей, т.е. предпочтительнее будет траек-
тория управления, обеспечивающая получение более точной информации из
зоны пространства, где наблюдаются обнаруженные ранее цели. Следователь-
но, в процессе функционирования РЛС изменяется понятие оптимальности
анализируемых траекторий управления.
Свести разнообразные показатели качества решения частных
задач РЛС к скалярной величине, как правило, не представляется
возможным, т.е. глобальный показатель А?(.) является вектором,
элементы которого К, характеризуют качество решения соответст-
вующих частных задач mj(i = 1, ... , М).
Таким образом, необходимо решить задачу (1.19) при усло-
вии, что изменяются во времени как глобальный векторный пока-
затель К(.) число и состав его элементов, так и понятие опти-
мальности траектории управления U(t).
66
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Выбор метода организации обзора пространства РЛС
Среди существующих подходов к формированию траекторий обзора
пространства, называемых процедурами радиолокационного поиска,
наиболее предпочтительным считается применение управляемого об-
зора, когда управление поиском основано на использовании априор-
ной информации о числе целей и их распределении в пространстве.
В общем случае оптимизация поиска сводится к выбору траек-
тории управления, обеспечивающей экстремум среднего риска, ко-
торый должен учитывать энергетические затраты на принятие реше-
ния, а также стоимость ошибки принятия решения [6].
Сложность формирования зависимости среднего риска от
времени, наличие параметрической неопределенности относитель-
но плотности распределения амплитуда реализации вектора сиг-
нальной обстановки определяют необходимость решения задачи
формирования оптимальной траектории обзора пространства на
основе методов стохастического программирования.
Множество неизвестных и случайных факторов (класс цели,
ракурс наблюдения, дальность и т.п.) приводит к неоднозначности
строгого решения задачи в рассматриваемой постановке.
Это предполагает поиск упрощенных, частных вариантов, в ко-
торых решение задачи стохастического программирования сводят к
одноэтапным, двухэтапным и многошаговым процедурам с исполь-
зованием детерминированных эквивалентов. Кроме того, одним из
путей упрощения задачи поиска является переход от критерия сред-
него риска к очевидным и достаточно простым критериям:
• максимум вероятности обнаружения каждой новой цели за за-
данное время после ее появления [4];
• минимум среднего времени обнаружения появляющейся цели [5];
• максимум математического ожидания числа обнаруженных це-
лей за заданное время [18].
Одним из вариантов получения более общих результатов яв-
ляется использование информационной меры [7, 8, 15, 18, 25. 33],
характеризующей качество поиска в целом: от процедуры просмот-
ра ячеек до алгоритмов обработки сигналов и правил принятия ре-
шений. При выборе информационной меры используется матема-
тический аппарат теории оптимального управления [23]. Тогда при
последовательном обзоре оптимальное управление сводится к на-
блюдению той угловой позиции, где по результатам предыдущего
наблюдения ожидается максимальное убывание неопределенности.
Существующие подходы к получению траектории сканирования позволяют опти-
мальным образом организовать обзор пространства лишь при решении отдельных
частных задач, когда ищется экстремум скалярного показателя качества.
67
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Однако при рассмотрении более сложной ситуации, когда
РЛС одновременно решает несколько неравнозначных задач, таких
как обнаружение новых целей, сопровождение обнаруженных ра-
нее, ранжированных по степени важности и т.п., где качество ре-
шения каждой из задач оценивается своим показателем, представ-
ленные подходы не работают, так как критерии оказываются несо-
поставимы и критериальное пространство часто нельзя считать
метрическим. При этом имеют место как теоретические, так и чис-
то практические трудности в обосновании корректности путей
свертывания критериев.
Наиболее достоверные результаты по формированию траекто-
рии обзора пространства, оптимизируемой по векторному крите-
рию, может дать использование предпосылок и математического
аппарата теории выбора и принятия решений [3].
Для сравнения альтернатив, характеризуемых векторными по-
казателями, применяются бинарные отношения предпочтения, уста-
навливающие правила «равновесия» или «компромисса» между ре-
шаемыми РЛС задачами. В основе бинарного отношения лежит на-
бор аксиом - интуитивно понятных правил сравнения, определяе-
мых экспертом. Функция выбора Ср есть реализация алгоритма
попарного сравнения альтернатив и определения наилучших из них.
Таким образом, Ср служит математическим выражением
принципов выбора. Ее назначение состоит в выделении множества
лучших элементов X* исходного множества X (предъявления), на
основе свойств точек этого множества, совокупности некоторых
числовых или лингвистических характеристик и выбранного адек-
ватно задаче критерия оптимальности:
Х* = Ср(Х\
где X* cz X.
Для задачи обзора пространства множество X определяется
совокупностью пространственных ячеек, которые могут быть про-
смотрены в текущий момент времени при известном положении
полотна и характеристиках ДНА, а также допустимыми спектраль-
ными характеристиками излучаемого сигнала.
Структура системы формирования процедуры обзора
пространства
Алгоритм решения задачи (1.18) на основе (1.19)
Этап 1. Сформировать бинарное отношение предпочтения
Р для сравнения элементов зондирования по степени важности.
Исходными данными являются набор параметров {77,} - скаляр-
ных характеристик элементов зондирования, основанные на нем
68
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
правила предпочтения и логика применения этих правил (аксио-
мы) для сравнения альтернатив.
Этап 2. Задать множество выбора - совокупность элементов
зондирования, доступных на рассчитываемый момент времени с
определением числовых и логических характеристик, необходимых
для применения правил предпочтения в бинарном отношении Р.
Этап 3. Построить функцию выбора Ср в виде алгоритма попар-
ного сравнения всех альтернатив и применить ее к множеству выбора.
Многократное применение описанных операций к изменяю-
щемуся во времени множеству альтернатив, обеспечивающее по-
лучение последовательности пространственных ячеек и спектраль-
ных характеристик излучаемого в их направлении зондирующего
сигнала (1), представляет собой алгоритм формирования процеду-
ры обзора пространства.
На рис. 1.22 представлена структура системы формирования
процедуры обзора пространства на основе предложенной многоша-
говой процедуры.
Целевые установки от системы
верхнего уровня
Модул» формирования
множества предъявлений
Целевая обстановка: T(tj) — { Тz( tj) }' Модуль анализа ситуации
Опенка качест ва
решения текущих задач
му,РГС:
£
пеализация
алгоритма попарного
сравнения
альтернатив
Формирование
функции выбора Ср
РЛС
Оценка целевой
□остановки:
Процедура обзора пространства
Оценка и прогноз развития
целевой обстановки
Модул» тактическсо
планирования
Формирование
АЦч1)=1р ('/ i)
- определение
совокупности допустимых
пространственных ячеек;
- определение
совокупное и допустимых
спектральных
характеристик
зондирующего сигнала;
- вычисление готических
и числовых хаоактерчстик
элементов множества
предьявлений.
Прогноз развит ия
целевой обе ганс вки
Планирование работы РПС
- формирование перечня
текущих задач
A/(r/+1)={w.-(7z+i)};
- коррекция их приоритетов:
- олоеделе ние режима
функционирования РЛС
Модуль формирова» |ия текущих отсчетов траектории обзора пространства
Выбор наиболее вая;ных
• предпочтите пьных)
элементов зондирована
применение функции
выбора к множеству
альтернатив
Формирование бинарно! о отношения
предпочтечия Р
- коррекция гр авил сра знения альтернатив в
соответствии с М(Гр. ]
- коррекция совокупности знач ямых
параметров ) Щг i)k
- реализация процедуры сравнения
альтернатиб
Рисунок 1.22
Функциональные модули, входящие в состав системы
• Модуль анализа ситуации, в котором формируется оценка ка-
чества функционирования РЛС (К (tj)), а также оценивается
69
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
целевая обстановка {?}*(//)} - совокупность оценок тра-
екторий движения наблюдаемых целей.
• Модуль тактического планирования, определяющий прогноз
развития целевой обстановки Т (/z4i) и обеспечивающий в со-
ответствии с задачами системы верхнего уровня (например,
авиационного комплекса) ранжирование текущих задач РЛС
{пу} по степени важности.
• Модуль формирования множества предъявлений A(/z+i), обес-
печивающий в соответствии с режимом функционирования
РЛС определение пространственной зоны обзора и ограниче-
ний на спектральные характеристики излучаемых сигналов, а
также разбиение ее на элементы зондирования {хД/,+1)}-
• Модуль формирования текущих отсчетов зоны ответственно-
сти, в котором происходит формирование бинарного отноше-
ния предпочтения, соответствующей ему функции выбора и ее
применение к X(/z+1).
Пример формирования процедуры обзора
пространства РЛС с вращающейся ФАР
В качестве примера реализации разработанного алгоритма рас-
смотрим решение задачи организации обзора пространства для им-
пульсно-доплеровской РЛС кругового обзора с вращающейся ФАР.
Предположим, что РЛС работает в одном режиме и решает две ча-
стные задачи (М=2): обнаружение и сопровождение воздушных
целей.
Основные ограничения
рассматриваемого режима работы РЛС
Один такт зондирования для данного режима - 0,1 с.
Зона обзора РЛС представляет собой одну строку в азимуталь-
ной плоскости длиной 360°.
• ДН антенны имеет один главный луч, ширина которого счита-
ется постоянной, а вся зона обзора разбивается на фиксирован-
ные по азимуту элементы размером 0,5°.
• Электронное отклонение луча ДН не превышает ± 45°.
• Полотно антенны механически вращается с постоянной часто-
той 0,1 Гц.
В случае обнаружения цели для измерения координат (снятие не-
однозначности измерения скорости и дальности) производится по-
вторное зондирование данного элемента пространства сигналом с
другой частотой повторения.
70
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
В качестве модели целевой обстановки Г(/), необходимой для
оценки качества выполнения обзора на основе имитационного мо-
делирования, рассматривалась упрощенная модель, описывающая
только факт наличия цели в заданной ячейке пространства. Общее
число целей в зоне наблюдения фиксировано.
Предполагалось, что цель может случайно появляться и слу-
чайно исчезать, причем время ее жизни подчиняется показательному
закону, плотность распределения вероятности которого имеет вид
t<Q,
t>Q,
где Л-1 - среднее время жизни цели.
Для оценки качества решения РЛС своих функциональных за-
дач использовались следующие показатели качества:
К[ - отношение числа обнаруженных целей к общему числу
целей в зоне наблюдения;
Л?2 - отношение числа сопровождаемых целей к общему числу
целей в зоне наблюдения (цель сопровождается, если в течение пе-
риода обзора не менее двух раз было произведено измерение ее ко-
ординат).
Для обеспечения возможности непосредственного влияния на
данные показатели при формировании правил сравнения альтерна-
тив предложено использовать параметры риска R\ и физический
смысл которых демонстрируется на рис. 1.23. Параметр R} отсчи-
тывается от нижней границы зоны электронного сканирования и
задает размер зоны риска пропустить (не обслужить) цель. Пара-
метр Т?2 отсчитывается от верхней границы повторного обнаруже-
ния цели и характеризует вероятность того, что цель не будет взята
на сопровождение из-за отсутствия повторного измерения коорди-
нат цели.
f______________________________Зона обзора РЛС
Зона электронного
Максимальней интервал
для завязки трассы
Рисунок 1.23
71
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
На основе данных параметров риска и исходя из представления о степени важ-
ности различных пространственных ячеек, определяемой складывающейся це-
левой обстановкой, был разработан ряд правил (аксиом), обеспечивающих
возможность выстраивания пространственных ячеек по степени важности
(срочности) их обслуживания. Каждое правило реализует возможность срав-
нения между собой двух пространственных ячеек с различными числовыми и
логическими характеристиками.
Пример одного из правил. Если обе про-
странственные ячейки находятся в зоне риска каждая из ячеек
уже обслуживалась, но требует повторного просмотра на текущем
периоде обзора, число просмотров данных ячеек на текущем периоде
обзора совпадает, то более важной считается пространственная
ячейка, первая покидающая зону электронного сканирования. Сово-
купность правил сравнения пространственных ячеек, охватывающих
полную группу их состояний, позволяет однозначно упорядочить их
по степени важности в любой момент времени, т.е. выбрать наиболее
важную из них (х ), определяющую текущий отсчет траектории об-
зора пространства. Выбор оптимального набора правил сравнения
представляет собой отдельную задачу, решаемую экспертами.
Таким образом, на основе структуры, представленной на
рис. 1.22 разработанных правил сравнения пространственных ячеек
и параметров Л] и Л2, реализуется алгоритм просмотра зоны ответ-
ственности РЛС, обеспечивающий решение задачи (1.18).
Для оценки качества функционирования формируемых алго-
ритмов сканирования была разработана и реализована в вычисли-
тельной среде имитационная модель пространственного обзора, по-
зволяющая контролировать процесс формирования процедуры об-
зора пространства (см. рис. 1.22), а также получать итоговые
показатели качества функционирования РЛС К\ и К2.
Фрагмент формирования траектории обзора пространства
в результате работы имитационной модели (рис. 1.24)
Число целей в зоне наблюдения РЛС .......................... 100
Среднее время жизни цели ................................. 600 с
Вероятность правильного обнаружения..........................0,9
вероятность ложной тревоги................................. 10-6
R} ........................................................0,5 с
R2............................................................0,1 с
Результаты оценки эффективности функционирования РЛС
(К\, К2) с использованием траектории управления, формируемой на
основе (3), полученные на основе данной модели при различных па-
раметрах загруженности целевой обстановки и параметрах настрой-
ки алгоритмов сканирования (7?i, R2), представлены на рис. 1.25.
Предложенный алгоритм просмотра зоны ответственности обеспе-
чивает эффективную работу РЛС на основе ФАР с электронно-
механическим сканированием.
72
ГЛАВА I. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕ ННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАЕОТКОЙ СИГНАЛОВ
Целевая обстановка
Наличие ueiiu ь мне- обзора
Astir.flf (угп. дискпег]
Процедура обз зра пространства
Граница зона риска R1
Р Зон 1 рискь 1
Р Вда границ»
Азиг туг (ч-л дискрет}
Р Hw* гра w
Отметки
целей
Границы зоны
электронного
сканирования
Оценка целевой
обстановки
Направление
вращения
антенны
Зона электронного
сканирования
Отсчеты траектории
обзора
пространства
ширина
отображаемого
фрагмента
траектории
обзора
пространства
Центральное
значение и
Возврат к обнаруженной
цели для взятия ее —
на сопровождение
Jpeiv
1000- Й
Номера пространственных
ячеек
^ Развитие тантнме^ай
Рисунок 1.24
Эффективность пространственного обзора
—7^,(7? = 0,1, Т?2=()Д)
= 0,1,7? =0,1)
-*-7^(7? = 0,2,7? =0,1)
-в- K:(R = 0.2, Т?2=0,1)
-—K}(R = 0,5, R =0,1)
— ^(7? = О,5,7? =0,1)
Количество целей в зоне наблюдения РЛС
Рисунок 1.25
Полученные зависимости позволяют сделать следующие выводы
1. Разработанный алгоритм при круговом обзоре обеспечивает
обслуживание до 80% из всех возможных угловых позиций
(обнаружение и измерение координат целей на данной угловой
позиции).
2. При загруженности целевой обстановки до 30% пространства
обеспечивается возможность повторного обслуживания за
73
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
один период обзора до 15% целей, разнесенных по углу, что
обеспечит повышение эффективности завязки трасс и сопро-
вождения маневрирующих целей.
3. Использование параметров риска Л]? Т?2 позволяет управлять
характеристиками качества сканирования в части повторно-
го обслуживания целей за один период обзора, особенно в
области загрузки целевой обстановки от 15 до 30%.
Предложенный подход позволяет достаточно просто адаптировать алгоритм
просмотра зоны ответственности РЛС к различным условиям помехово-целевой
обстановки и решаемым комплексом задачам. Это достигается в результате
разработки (переключения, выбора) правил сравнения пространственных яче-
ек по степени важности и изменения числовых параметров зон риска.
Например, можно учесть следующие особенности функцио-
нирования комплекса:
• наличие нескольких лучей ДНА для обзора пространства, дей-
ствующих в непересекающихся секторах пространства, добав-
лением новых правил сравнения, учитывающих возможность
обмена информацией между антенными подрешетками, рабо-
тающими в разных секторах с различной эффективностью:
• эффект расширения луча ДНА при отклонении его от нормали
к плоскости раскрыва - введением нового числового параметра
7?з (по аналогии с R\ и Л2), определяющего зону предпочти-
тельного сканирования с допустимым уровнем расширения
луча, и разработкой новых правил сравнения с учетом призна-
ка нахождения пространственной ячейки в данной зоне.
На основе анализа существующих алгоритмов радиолокационного по-
иска обоснована необходимость использования для формирования оп-
тимальной траектории обзора пространства многофункциональной РЛС
методов теории выбора и принятия решений.
Разработана и реализована в виде имитационной модели система
формирования процедуры обзора пространства.
Полученные на ее основе оптимальные траектории обзора про-
странства, учитывающие возможности электронного управления лучом,
обеспечивают по сравнению с РЛС с механическим сканированием бо-
лее высокую эффективность решения задач обнаружения и сопровож-
дения воздушных целей при достаточно хорошей управляемости про-
цесса формирования траекторий.
Предложенный подход обеспечивает простоту адаптации системы
формирования процедуры обзора пространства к изменениям техниче-
ских характеристик и условий функционирования РЛС, а также целе-
вых установок со стороны систем верхнего уровня.
74
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Организация обзора пространства радиолокационной станцией с фа-
зированной антенной решеткой в составе авиационного комплекса ра-
диолокационного комплекса дозора и наведения связана с решением
ряда проблем, обусловленных неполнотой информации об условиях
функционирования РЛС, а также необходимостью поиска компромис-
са между локальными целями многофункционального комплекса (об-
наружение, сопровождение, распознавание, наведение и др.).
Предложенный в [21] метод организации обзора пространства,
основанный на математическом аппарате теории выбора и приня-
тия решений, а также разработанная в соответствии с ним структу-
ра системы формирования процедуры обзора пространства [21] по-
зволяют формализовать и получить решение задачи пространст-
венного сканирования. Его эффективность во многом определяется
используемой функцией выбора Ср(.), а точнее лежащим в ее осно-
ве бинарным отношением предпочтения р для попарного сравнения
альтернативных угловых ячеек в зоне обзора.
Получить приемлемый алгоритм сравнения альтернатив, реа-
лизующий р, в широком диапазоне условий функционирования АК
РЛДН невозможно из-за высокой сложности, неопределенности со-
стояния комплекса относительно складывающейся воздушно-
целевой обстановки и разнообразия решаемых задач. Возможным
решением данной проблемы является выделение управляющего
уровня, обеспечивающего адаптацию системы формирования про-
цедуры обзора пространства путем периодической коррекции ис-
пользуемого в ней бинарного отношения предпочтения на основе
опыта специалистов-экспертов и предыстории функционирования
комплекса, сохраненной в процессе эксплуатации или имитацион-
ного моделирования его работы [22].
В этой связи представляет интерес рассмотрение возможности
разработки экспертной системы, обеспечивающей использование
опыта экспертов при формировании процедуры обзора пространст-
ва РЛС АК РЛДН. Для ее достижения последовательно решался
ряд задач, а именно:
• разработка требований к ЭС;
• разработка структуры ЭС;
75
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
• структурирование базы знаний ЭС;
• реализация прототипа ЭС в виде программного модуля.
Требования к экспертной системе
Исходя из целевого назначения, разрабатываемая экспертная сис-
тема относится к системам управления, что накладывает ряд стан-
дартных требований [20] на эффективность формируемых управ-
ляющих сигналов (команд), чувствительность ЭС к изменениям
внешней обстановки и устойчивость управляемой ею системы об-
зора пространства. В упрощенном варианте она может использо-
ваться и как система поддержки принятия решений при замыкании
контура управления на человека-оператора.
Учитывая некоторую «инерционность» в проявлении эффекта
от управляющих воздействий (несколько периодов обзора), обу-
словленную особенностями обзора РЛС на основе ФАР с электрон-
но-механическим сканированием [21], коррекция бинарного отно-
шения предпочтения должна производиться не непрерывно, а с не-
которой периодичностью в течение нескольких периодов обзора.
Следовательно, с точки зрения связи с реальным временем разра-
батываемую ЭС можно отнести к классу квазидинамических ЭС [17].
В процессе обработки знаний разрабатываемой ЭС требуется
организация тесного взаимодействия с программными компонен-
тами в составе программного обеспечения системы формирования
процедуры обзора пространства (например, в части экстраполяции
развития тактической ситуации), а также имитационными моделя-
ми для ее настройки [22] (рис. 1.26). Таким образом, с точки зрения
степени интеграции с другими программами ЭС должна классифи-
цироваться как гибридная [17].
Как правило, экспертные системы разрабатываются путем по-
лучения специфических знаний от эксперта-человека, формализуе-
мых инженером по знаниям, и ввода их в базу знаний системы
(рис. 1.26). Под базой знаний в системах управления понимается
подсистема, хранящая знания, необходимые для управления объек-
том, где «знания» представляют собой тройки образ ситуации - об-
раз действия - образ результата, отражающие закономерности во
взаимодействиях объекта управления с окружающей средой.
Данный подход к формированию знаний в виде набора правил,
соответствующий продукционной модели представления знании [17],
является наиболее естественным для рассматриваемой предметной
области, задаваемой достаточно трудно формализуемыми парамегра-
ми состояния АК РЛДН относительно воздушно-целевой обстановки
и рекомендациями эксперта по управлению обзором.
76
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Исходный набор правил может оказаться неполным или про-
тиворечивым, следовательно, база знаний ЭС должна обладать
средствами проверки хранящейся в ней информации. Кроме того,
для выполнения идентификации состояния комплекса в заданной
воздушно-целевой обстановке целесообразно использовать пред-
ставление знаний в виде абстрактных образов, описываемых фрей-
мами [17] (например, фреймами-ситуациями), позволяющими реа-
лизовать иерархическую структуру базы знаний.
Неполнота исходной базы знаний требует ее дополнения пу-
тем проведения процедуры «обучения» ЭС как по результатам ре-
ального функционирования системы (применение АК РЛДН), так и
на основе ее виртуального функционирования с использования
систем имитационного моделирования. Следовательно, разрабаты-
ваемая ЭС должна быть адаптивной системой и иметь в своем со-
ставе средства для коррекции базы знаний.
Необходимость привлечения экспертов и инженера по знаниям в процессе раз-
работки и настройки ЭС, а также оператора РЛС и оператора сопровождения в
процессе эксплуатации ЭС (например, при ее работе в режиме формирования
рекомендаций по управлению) требует включения в состав ЭС средств взаимо-
действия с пользователем, удовлетворяющих естественным требованиям эрго-
номичности [20].
Предварительные оценки предметной области показали, что
объем базы знаний, разрабатываемой ЭС, не будет превышать не-
скольких десятков тысяч правил, что позволяет не предъявлять
слишком высокие требования к технологии и реализации ЭС (вы-
бору инструментальных средств).
77
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Структура экспертной системы
Анализ представленных требований к ЭС позволяет предложить
вариант ее структуры, представленный на рис. 1.27.
Формализованные
исходные знания экспертов
Рисунок 1.27
Элементы, входящие в состав экспертной системы
• База знаний (БЗ). Содержит набор наилучших, с точки зрения
экспертов, правил параметры управления для заданных со-
стояний комплекса относительно складывающееся воздушно-
целевой обстановки (тактической ситуации) и решаемых задач.
• Модуль обработки знаний. Обеспечивает заполнение БЗ ис-
ходными знаниями экспертов, формализованными инженером
по знаниям. В процессе заполнения осуществляется проверка
корректности формирования новых знаний. Модуль реализует
процедуру изменения или формирования новых правил в базе
знаний ЭС на основе результатов функционирования А К
РЛДН или по итогам имитационного моделирования процесса
обзора пространства.
• Модуль интерпретации входных данных. Осуществляет преоб-
разование оценки текущей ситуации, поставляемой системой
формирования процедуры обзора пространства, в формат пра-
вил управления, содержащихся в БЗ ЭС.
• Модуль идентификации ситуации. Реализует процедуру поис-
ка образа текущей ситуации среди имеющихся данных в базе
знаний.
• Модуль формирования вывода. Реализует модель вывода ре-
шений, метод поиска решения в базе знаний при заданной
идентифицированной сигуации.
78
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
• Модуль представления рекомендаций и управляющих команд.
Формирует непосредственный выход ЭС в виде управляющих
сигналов (или рекомендаций оператору) для использования в
системе формирования процедуры обзора пространства.
Структурирование базы знаний экспертной системы
Структурирование знаний сокращает их дублирование, следова-
тельно, повышает надежность и достоверность информации. В об-
щем случае необходимыми стадиями процесса структурирования
знаний являются [17]:
• определение входных и выходных данных;
• составление словаря терминов; выявление объектов, понятий и
их атрибутов; выявление связей между понятиями;
• выделение метапонятий и детализация понятий; построение
пирамиды знаний; определение отношений;
• определение стратегии принятия решений (построение меха-
низма вывода);
• непосредственно структурирование поля знаний.
Ниже приводится краткое описание основных из них приме-
нительно к формированию базы знаний разрабатываемой ЭС.
Назначением разрабатываемой экспертной системы является
выдача рекомендаций (управляющих сигналов) для процедуры об-
зора пространства в зависимости от складывающейся ситуации.
Следовательно, входными данными является некоторый набор па-
раметров, идентифицирующих текущее состояние АК РЛДН отно-
сительно складывающейся воздушно-целевой обстановки, а в каче-
стве выходных данных должен выступать набор управлений, опре-
деляющих функционирование системы обзора пространства.
Факторы, существенные с точки зрения их влияния
на процедуру обзора пространства РЛС с ФАР
• Текущий этап выполнения задачи обзора пространства (пер-
вичное накопление информации, основной режим обзора,
внутреннее тестирование и т.п.).
• Вид траектории носителя и текущий ее участок.
• Упорядоченный в соответствии с приоритетами набор решае-
мых задач (обнаружение, сопровождение, наведение, распо-
знавание, картографирование и др.).
• Наличие дополнительных каналов получения информации (це-
леуказания от наземных комплексов АСУ, других авиацион-
ных комплексов и т.п.).
79
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
• Время нахождения в текущем состоянии, определяемое пара-
метрами обзора пространства.
• Группировка целей по секторам (число секторов).
• Характеристики каждого сектора (угловые параметры сектора,
число наблюдаемых в нем целей, число целей в секторе с учетом
информации, получаемой по дополнительным каналам).
• Характеристики наблюдаемых целей (координатные характе-
ристики, тип, важность, опасность, госпринадлежность и т.п.).
Набор выходных данных определяется путем выделения клю-
чевых параметров системы формирования процедуры обзора про-
странства, изменение которых возможно по командам извне (ко-
манды оператора, автоматической системой управления), а именно:
• режим механического вращения полотна ФАР (угловая скорость
вращения);
• количество, степень важности и угловые размеры приоритетных
секторов;
• алгоритм сравнения альтернатив, определяемый используемым
бинарным отношением предпочтения [21];
• значения параметров риска пропуска цели, срыва сопровожде-
ния [21] и т.п.
Применение аппарата нечеткой логики
Привлечение экспертов подразумевает высокую степень субъек-
тивности получаемой информации, определяющей выбор, вид и
параметры идентификации ситуации и принимаемого решения.
При этом входные и выходные переменные экспертной системы
должны адекватно отражать реальную действительность. В таких
условиях целесообразным решением данной проблемы является
использование аппарата нечетких множеств и нечеткой логики
[10], позволяющей формализовать субъективные понятия эксперта-
человека в достаточно понятную и пригодную для математических
преобразований форму.
Для описания экспертной системы, разрабатываемой на осно-
ве нечеткой логики, используются понятия нечеткой и лингвисти-
ческой переменных, а также нечеткого образа [10, 16].
Нечеткая переменная характеризуется тройкой {Ly, Ху, А'/},
где Ly - наименование нечеткой переменной, а Ху - подмножество
универсального множества X', на котором определена четкая пере-
менная xz; значение х, является компонентой входного вектора
х = (х1/, ...,х^о) универсального множества входных переменных
80
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
X, Alj - нечеткое множество на Xj, задаваемое функцией принад-
лежности
Функция принадлежности принимает значения из интервала
[О, 1]. Она количественно оценивает степень принадлежности эле-
мента нечеткому множеству. Конкретный вид функции принад-
лежности определяется в результате коллективного творчества
группы специалистов в рассматриваемой области - экспертов.
Лингвистическая переменная Z' представлена набором Z' =
{L\, •> где ~ значения нечетких переменных
(всего их М1), а V] - уровень детализации z-й лингвистической пе-
ременной, равный числу нечетких множеств, на которые разбива-
ется диапазон значений xz.
Нечеткий образ (О) характеризуется набором О = {Z1, ...,
ZN° , Е}, где Z1, ..., ZN° - значения лингвистических переменных
системы, количество которых определяется константой No, Е - зна-
чение оценки данного образа, определяющей степень близости на-
блюдаемого состояния к центру нечеткого образа.
Механизм вывода решений
Существуют различные алгоритмы формирования вывода [17]
Mamdani, Tsukamoto, Sugeno и др., область применения каждого из
них определяется формой задания исходных параметров, логикой
оценки образа и т.д. Для решаемой задачи было принято использо-
вать широко применяемый алгоритм Mamdani.
Процедура формирования вывода решения
Этап 1. Введение нечеткости (фазификация). Для работы с
лингвистическими переменными каждый терм следует соотнести с
соответствующим нечётким множеством, которое, в свою очередь,
представляется через универсальное множество и функцию при-
надлежности элементов этого универсального множества рассмат-
риваемому нечеткому множеству;
Этап 2. Логический вывод и композиция. В разрабатываемой
экспертной системе использованы механизмы вывода, основанные
на прецедентах [42]. Эти механизмы вывода применяются в про-
блемных ситуациях, сложность которых не позволяет провести их
конструктивную формализацию, но по которым имеется опыт
(прецеденты) их успешного разрешения.
Одна из трудностей этого подхода состоит в правильном под-
боре координат (Z1,...^^) ситуационного выбора, описывающего
81
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
эту проблемную ситуацию как по их числу 7V0, так и по форме
представления каждой координаты. Полнота описания ситуацион-
ного вектора и связь конкретного вектора с конкретным прецеден-
том устанавливается при длительной работе с экспертами - дейст-
вительными носителями этого знания.
Необходимо составить матрицу знаний по прецедентам. Пусть
к-с состояние проблемной ситуации описывается вектором с коор-
динатами (£^Л,...,£^,...,£^), где Llmk - значение z-й лингвисти-
ческой переменной для к-й ситуации, т е {1,...,Л/'| . Накопленное
множество прецедентов {Рк для к = 1, ..., К} - значений лингвис-
тической переменной, описывающей выходной параметр управле-
ния, с соответствующими входными данными {Z1, ..., ZV° }, раз-
мещается в матрице соответствия, представленной в табл. 1.6
Таблица 1.6
№ п/п Значения лингвистических переменных Исход
Z1 Z' • • ZM>
1 4., ... 4,1 • • • т No Ьт,\ Pi
• • • ... ... ... . • • • • • •..
к 4л ... 4л г No Ьт,к рк
• • • • « « ... ... а . • • • • ....
К • • • ^т,К • - • г No LmK Рк
Каждая строка вида
(ДиЛ’***’1,...,/С , а ш в
i-й строке принимают значения от 1 до М1, есть конкретный си-
туационный вектор. Введенная матрица определяет систему ло-
гических высказываний вида «ЕСЛИ ... И ..., ТО ...». Например,
строка матрицы к шифрует высказывание «ЕСЛИ Z1 - И ... И
Z’No г No п
= L ТО управлением является Рк.
Таким образом, матрица знаний представляет собой реализа-
цию нечеткого отношения А [17]:
R:O —> Р ,
где О - множество нечетких образов ситуаций; Р - лингвистиче-
ская переменная выбора.
82
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Частным случаем реализации алгоритма формирования выво-
да по Mamdani [17] может служить выражение
Ae(x) “ max
к—1
No
M*
min(//(4),min max ХЛ(х,)
z=l j=\ L
(1.20)
где /Uj,k(xi) - функция принадлежности четкой переменной х/? j-ro
значения z-й лингвистической переменной; //(•) - функция принад-
лежности вывода; //Xх) _ комбинированный вывод нечеткого мно-
жества исхода.
Этап 3. Дефазификация. Приведение к четкости производится
различными методами. Ниже в качестве примера представлены фор-
мулы методов дефазификации соответственно по «центроиду», по
центру максимумов, по медиане:
k=l
.* = к=\
+
р
* Г
max
*
min
где Pmm, /’щах - граничные значения изменения выходного параметра.
Таким образом, на выходе выражений (1.21), (1.22) или (1.23)
получается конкретное числовое значение Р , определяющее реко-
мендуемое в соответствии с имеющимися знаниями управление.
Реализация ЭС
С учетом использования аппарата нечетких множеств и представ-
ленного механизма вывода решений назначение элементов экс-
пертной системы (рис. 1.27) приобретает следующий смысл.
• Модуль интерпретации входных данных
В него поступает вектор со значениями оценки тактической
обстановки, где производится сопоставление оценок парамет-
ров текущей ситуации нечетким множествам соответствующих
нечетких переменных (фазификация) - определяется принад-
83
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
лежность к нечеткому множеству. Далее вычисляются для ка-
ждой нечеткой переменной значения характеристической
функции принадлежности для определения степени истинно-
сти каждой предпосылки каждого правила.
• Модуль идентификации ситуации
В нем осуществляется формирование образа текущей ситуации
в соответствии с заданным уровнем детализации Vi каждой
входной лингвистической переменной и вычисление его оценки
на основании выражения (1.20), которое приводит к одному не-
четкому подмножеству, которое будет назначено каждой пере-
менной для каждого правила.
В табл. 1.7 представлен первичный набор лингвистических пе-
ременных со значениями нечетких переменных который в дальней-
шем должен быть доработан в результате привлечения экспертов.
Таблица 1.7
Лингвистическая переменная Нечеткие переменные (значения лингвистических переменных)
Ширина сектора Узкий, широкий, средний
Распределение целей в секторе Равномерное, сосредоточенное, не определено
Точность (полнота) информации о цели Грубая, точная, средняя
Величина (зона) риска Очень низкая, низкая, средняя, высокая, очень высокая
Приоритетность решаемых задач Значительно важнее обнаружение, чем сопровождение; значительно важнее сопровождение, чем обнаружение; важнее обнаружение, чем сопровождение; важнее сопровождение, чем обнаружение; задачи равнозначны
Наличие информации по дополнительным каналам Наличие точных (грубых) ЦУ о целях, наличие точ- ных (грубых) ЦУ о наводимых истребителях
Число целей в секторе Отсутствует цель, одиночная цель, несколько целей в группе, много целей в группе
Тип цели Вертолет, истребитель, ударный истребитель, нс ус- тановлено
Принадлежность цели Не определён, свой, чужой
Маневренность цели Маневренная, не маневренная, не установлено
84
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
• Модуль формирования вывода
В нем формируются нечеткие управляющие воздействия с за-
данным периодом. Основой для проведения операции нечетко-
го логического вывода является матрица знаний (табл. 1.6),
обеспечивающая реализацию механизма вывода по претенден-
там. Тамже осуществляется приведение к четкости (дефазифи-
кация) для преобразования нечеткого набора выводов в четкое
число.
• Модуль обработки знаний
В нем проводится коррекция таблицы знаний (состава и количе-
ства параметров), значений показателей эффективности наблю-
даемых правил и т.д. по результатам анализа функционирования
ЭС, а также на основе имитационного моделирования решения
задачи обзора пространства.
• Модуль представления рекомендаций и управляющих команд
В нем с помощью графического интерфейса обеспечивается
визуализация и возможность выбора оператором рекомендуе-
мых решений по управлению, а также производится формиро-
вание команд управления в режиме автоматической коррекции
системы формирования процедуры обзора пространства.
Пример работы прототипа ЭС. В соответствии с разрабо-
танной структурой (рис. 1.27) и представленным описанием в среде
Matlab 2008 [13] был реализован исследовательский прототип ЭС,
обеспечивающий получение предварительных результатов - ос-
новных рекомендаций по управлению системой формирования
процедуры обзора пространства.
Рассматривается тактическая обстановка, задаваемая шириной
сектора и количеством целей в нём. Решается задача определения
величины зоны риска пропуска цели R1 (являющейся необходи-
мым параметром для настройки бинарного отношения предпочте-
ния). Смысл Я1 пояснён на рис. 1.28.
___________________________________Зона обзора РЛС___________________________________
Зона электронного
Н—7------*
Зона риска R,
Рисунок 1.28
85
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНС1В А
Он характеризует угловой размер зоны обзора, при нахожде-
нии в которой пространственная ячейка получает повышенный
приоритет из-за возможности пропуска её на текущем периоде об-
зора [21].
Для решения данной задачи в прототипе ЭС использовались
следующие исходные данные матрицы знаний ЭС.
Лингвистические переменные (согласно табл. 1.7):
Число целей в секторе.................Z\ = (Z?b Z?4,Z?5)
Распределение целей в секторе...............Z2 = (L2b L22,
Ширина сектора..............................Z3 = (£3Ь £32, L33)
Величина зоны риска (7?1)................Р = (Р], Р2, Р3, Р4, Р5)
Для каждой лингвистической переменной Zj, Z2, Z3, Р форми-
руются унифицированные кусочно-линейные функции принадлеж-
ности (я - трапециевидная; b - треугольная; с - гауссовская;
рис. 1.29), заданные в соответствующем универсальном множестве;
различные виды дефазификации (по центру масс, по центру макси-
мумов, по медиане).
Рисунок 1.29
Входные данные, используемые при расчетах
Распределение целей в секторе...............рассредоточенное
Ширина сектора ......................................... 40°
Число целей в секторе .................................0.. ЛОО
Тип функции принадлежности .................. трапециевидная
Параметр функции принадлежности
лингвистической переменной
«число целей в секторе»...........ширина верхнего основания 12;
угол наклона боковой стороны 70°
Число термов
лингвистических переменных Z\ .............................5
Вид фазификации...................................по центроиду
86
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Результаты исследований, проведенных на основе реализо-
ванного исследовательского прототипа ЭС, в части, касающейся
формирования рекомендаций по определению зоны риска пропуска
цели, представлены на рис. 1.30-1.33.
Рисунок 1.30
°0 20 40 60 80 100 120 Мд
Рисунок 1.32
87
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рис. 1.30 демонстрирует, как изменяется зависимость исхода
R\ от числа целей в зоне обзора при различных типах функции
принадлежности; рис. 1.31 - при изменении параметров трапецие-
видной функции принадлежности; рис. 1.32 отражает зависимость
вывода ЭС от детализации знаний о количестве целей в зоне обзо-
ра, а на рис. 1.33 демонстрируется чувствительность формируемого
параметра R\ к выбору метода дефазификации (а - по медиане; b -
по центроиду; с - по центру максимумов).
Рисунок 1.33
На основании полученных результатов можно сделать вывод,
что при формировании вывода (определение предпочтительного
значения /?}) целесообразно использовать трапециевидную функ-
цию принадлежности с размером верхнего основания 18, с макси-
мальной детализацией знаний о количестве целей в секторе, и при-
менять метод дефазикации по «центру максимумов». Выбор таких
параметров обеспечивает наиболее монотонную зависимость /?| от
числа целей в секторе.
Анализ полученных результатов показал, что в общем случае
зависимость величины риска пропуска обнаружения от числа целей
в секторе обзора имеется тенденция к росту, с их увеличением раз-
мер зоны риска возрастает, что соответствует физическому смыслу
Ri - минимизировать вероятность пропуска цели. Однако конкрет-
ные числовые значения существенно зависят от вида и параметров
функции принадлежности (рис. 1.30, 1.31), от детализации лин-
гвистических переменных (рис. 1.32), т.е. по сути определяется ис-
ходной информацией полученной от экспертов.
Разработанная структура ЭС, представленный механизм вывода, а так-
же полученные на основе реализованного прототипа числовые резуль-
88
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
тэты, позволяют утверждать о возможности использования ЭС для
управления системой формирования процедуры обзора пространства.
Экспертная система обеспечивает выбор наиболее подходящих:
складывающейся тактической ситуации бинарного отношения предпоч-
тения, определение его параметров (например, зон риска пропуска об-
наружения, срыва сопровождения и т.п.), параметров приоритетных
секторов, режима механического вращения полотна антенны как в ре-
жиме формирования рекомендации оператору РЛС, так и в режиме ав-
томатического управления. Особую важность При этом приобретает во-
прос корректной формализации знаний, полученных от экспертов.
Имитационное моделирование является одним из эффективных
средств оценки эффективности функционирования радиолокацион-
ных систем. Использование имитационной модели в ряде случаев
является единственно возможным способом получения предвари-
тельных оценок качества функционирования разрабатываемого
объекта (устройства, алгоритма).
В п. 1.6 рассмотрен алгоритм формирования процедуры обзора
пространства, который формирует траекторию сканирования глав-
ным лучом антенны РЛС и в результате обеспечивается формирова-
ние радиолокационным комплексом дозора и наведения представле-
ния о внешней обстановке. Необходимость оценки эффективности
функционирования РЛС под управлением заданных алгоритмов об-
зора пространства требует построения модели, обеспечивающей по-
лучение основных показателей, численно характеризующих качество
формирования РЛС представления о целевой обстановке. В этой свя-
зи рассмотрим вопросы построения такой модели.
Требования к имитационной модели
функционирования РЛС
Основным требованием к разрабатываемой модели, с точки зрения
ее целевого назначения, является возможность получения необхо-
димых показателей качества, характеризующих эффективность вы-
полнения комплексом задач, связанных с обзором пространства.
89
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Группы, на которые можно условно разделить показатели
Группа 1. Характеризует полноту отображения обстановки в зоне
обзора РЛС.
Группа 2. Характеризует достоверность отображения обстановки в
зоне обзора РЛС.
Группа 3. Определяет динамические характеристики алгоритмов
обзора, обнаружения и сопровождения (обновления) траекторий.
При натурных испытаниях и имитационном моделировании
полнота отображения обстановки в зоне обзора РЛС характери-
зуется средней длительностью времени обнаружения истинной
траектории и средней длительностью непрерывного сопровожде-
ния траектории цели, определяемыми как
у n\
'Т'Ъ 1 JVOOH. тр
J^cp _ 2обн.тр _ 1
обн. ip
1 ’ обн. тр 1 ’ обн. тр
у
-Е
сопр. тр
7 v coup, тр
у
J'CP
Хсопр.тр £ £ 2-
^’сопр. тр 1 ’сопр. тр z=l
где Г0|н тр - суммарное время, затраченное на обнаружение траек-
торий всех участвующих в испытаниях целей; ^бн тр - суммарное
число всех обнаруженных траекторий целей; ^обн <0>, /зав - момен-
ты времени первого обнаружения и завязки (постановки на сопро-
вождение) i -й траектории соответственно; ГСдПр - суммарное
время сопровождения траекторий всех участвующих в испытаниях
целей; тр - суммарное число всех отрезков сопровождения
траекторий целей; /;сбр _ момент времени сброса i -й траектории с
сопровождения.
Кроме того, к частным показателям полноты отображения
воздушной целевой обстановки также относятся коэффициент пра-
вильного определения числа объектов и средний коэффициент про-
водки:
Е
П.°б Е >
1 ’об
А-Х
(1-26)
ПР лгЕ
сбр .зав
ч
У —
/ j .обн(&) _ .обн (0)
/=1 \ Ч Ч
(1-27)
5
90
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
где - максимальное суммарное число одновременно сущест-
вующих трасс; Nq6 - суммарное число объектов воздушной целе-
вой обстановки; Z°6h - момент времени последнего обнаружения
i -й траектории.
В системе цифровой обработки радиолокационных данных
достоверность отображения обстановки в зоне обзора РЛС ха-
рактеризуется числом ложных траекторий, обнаруживаемых и пе-
редаваемых на сопровождение в каждом периоде обзора РЛС или в
единицу времени, а на практике используют коэффициенты:
гтЛь
1 сопр.л.тр
сопр.л.тр 1 сопр.и.тр
(1-28)
сопр.л.тр
Г ’
сопр.тр
(1.29)
где К[л тр - коэффициент ложных траекторий по времени; -
коэффициент ложных траекторий по числу; 7^ - суммарное
время сопровождения ложных траекторий; ^Пр.и.тр ~ суммарное
время сопровождения истинных траекторий; Af?onp л тр - суммарное
число сопровождаемых ложных траекторий; Af?onp тр - общее сум-
марное число сопровождаемых траекторий.
Среди динамических характеристик основное значение име-
ют точностные характеристики получаемых оценок параметров
траектории - среднеквадратические отклонения ошибок определе-
ния всех фазовых координат (дальности, скорости сближения, ази-
мута, угла места и т.д.):
I
.заб V Р k=l
Ч
(1.30)
где и pik(t) - истинное значение и оценка фазовой коорди-
наты р для i -й траектории в к -й временной реализации для мо-
мента времени Z; N - число усредняемых реализаций (;Vp >1).
91
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
В (1.30) для обобщенной оценки точности сопровождения
СКО ошибок оценивания фазовых координат усредняются по вре-
мени и по трассам.
Основным требованием по назначению к имитационной модели функциониро-
вания РЛС является оценка показателей эффективности (1.24) - (1.30) при
различных алгоритмах пространственного сканирования для заданной воздуш-
ной целевой обстановки.
Анализ параметров, входящих в состав (1.24) - (1.30), а также
представленная в [26] структура системы формирования процеду-
ры обзора пространства, позволяют разработать некоторые требо-
вания.
Основные требования по составу
имитационной модели функционирования РЛС
• Модель целевой обстановки должна обеспечить формирование
адекватных входных данных для функционирования РЛС.
• Модель РЛС должна обеспечить имитацию преобразования в
радиолокаторе информации о реальном положении воздушной
цели в его оценку в конце каждого такта накопления и обра-
ботки сигнала и принятия решения о наличии цели; здесь про-
изводится непосредственно имитация формирования процеду-
ры обзора пространства, а также использование ее для управ-
ления антенной РЛС.
• В модели оценки целевой обстановки на основании истории об-
зора пространства РЛС должна производиться имитация функ-
ционирования алгоритмов сопровождения воздушных целей.
• Отдельный блок на основании информации, поступающей из
модели целевой обстановки и модели ее оценки, должен обес-
печить формирование интегральных характеристик качества,
(1.24)-(1.30).
Основные функциональные и пользовательские требования
к модели, определяемые решаемыми на ее основе задачами
и подходами к их решению
• Модульность структуры модели с четко определенным и в то
же время расширяемым протоколом взаимодействия между
отдельными модулями для обеспечения эффективного разви-
тия модели, т.е. построение в соответствии с концепцией от-
крытых систем [39].
• Открытая архитектура.
• Обеспечение существования совокупности взаимосвязанных мо-
делей различной степени детальности, а также простого механиз-
92
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
ма выбора модели, адекватной решаемой задаче, т.е. модель
функционирования РЛС должны быть реконфигурируемой.
Наличие в составе модели средств для включения человека-
оператора и эксперта в ее состав, а также средства для автома-
тизированного сбора, анализа и представления информации о
результатах моделирования.
Требования, предъявляемые к модели
с точки зрения выбора технологической базы
для построения имитационной модели
функционирования РЛС,
а также анализа современного состояния
технологий создания программных комплексов
Реализация функциональных модулей модели должна осуще-
ствляться на основе языков программирования C++ и С, позво-
ляющих с минимальными доработками применять программ-
ные модули в составе бортового программного обеспечения.
Применение стандартных шаблонов проектирования [43] для
улучшения модульности модели и «прозрачности» алгоритмов
ее функционирования.
Использование реляционной базы данных [32] для организа-
ции хранения исходных данных и итоговых результатов моде-
лирования.
Использование языка UML [41] при разработке документации
модели.
Структура имитационной модели
Исходя из требований, предъявляемых к имитационной модели,
на основе принципов построения открытых систем в качестве
структуры имитационной модели функционирования РЛС, в
первую очередь ориентированной на исследование алгоритмов
обзора пространства, предложено использовать структуру, пред-
ставленную на рис. 1.24. Модель функционирования РЛС разде-
лена на следующие основные части:
• модель тактической ситуации;
• модуль пространственных преобразований;
• модель РЛС;
• модель оценки целевой обстановки;
• блок формирования показателей эффективности;
• графический интерфейс пользователя.
93
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Модель функционирования РЛС
Модель тактической ситуации
Модель природных условий Модель движения носителя АК РЛДН
Модель целевой обстановки
Модель перемещения воздушной цели Модель ЭПО воздушной цели
Исходное состояние целевой обстановки Модель развития целевой обстановки
Модуль пространственных
преобразований
Модель РЛС
Модель
обнаружения
сигналов в
приемном
тракте РЛС
Модель
измерения
координат
воздушной
цели
Модель
перемещения
антенны РЛС
Модель
управляемого
обзора
Модель оценки целевой обстановки
(сопровождения воздушных целей)
t
Блок формирования показателей
эффективности
Графический интерфейс пользователя
Рисунок 1.24
Рисунок 1.25
94
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
Модуль пространственных преобразований
Он обеспечивает выполнение всех пересчетов пространственных
координат (точек и векторов), выполняемых как при имитации
движения летательных аппаратов, так и при имитации функциони-
рования РЛС. В процессе моделирования по мере необходимости
формируется иерархия систем координат [45] (рис. 1.25), в которой
каждая система координат «знает» свое текущее положение отно-
сительно родительской системе координат.
Система координат, не имеющая родителя, представляет со-
бой базовую систему OXqYqZq, связанную с Землей (абсолютная не-
подвижная система отсчета). При необходимости выполнения про-
странственных пересчетов в модуле пространственных преобразо-
ваний осуществляется поиск пути пересчета и реализуются
непосредственно процедуры пространственных преобразований
точек (центров масс ЛА, антенны) и векторов (скоростей ЛА) в
нужную систему координат.
Модель тактической ситуации
Эта модель обеспечивает формирование всех входных информацион-
ных потоков, имитирующих воздействие внешнего мира на функцио-
нирование РЛС. Это и модель природных условий (турбулентность
атмосферы, подстилающая поверхность и т.п.), и пространственные
перемещения самолета-носителя, и развитие целевой обстановки.
Модель движения носителя РЛС обеспечивает формирование
типовых траекторий самолета при несении боевого дежурства, та-
ких как взлет с ускорением и набором высоты, прямолинейное рав-
номерное движение на постоянной высоте, полет в зоне барражи-
рования «по коробочке» или в виде «восьмерки», снижение с тор-
можением и посадка.
Структура модели целевой обстановки
• Блок, определяющий исходное состояние целевой обстановки
(группировка, тип, начальное положение и ориентация векторов
скоростей воздушных объектов, а также решаемые ими задачи).
• Модель перемещения управляемого объекта, реализующая ти-
повые траектории движения.
• Модель развития целевой обстановки, определяющей траекто-
рии движения ЛА в соответствии с задачами, решаемыми раз-
личными группами ЛА.
• Модель ЭПО воздушной цели, представляющая собой закон
изменения ЭПО самолета (вертолета) в зависимости от его уг-
ловой ориентации относительно линии визирования.
95
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
В модели РЛС производится имитация основных процессов,
существенных для решения задачи обзора пространства: формиро-
вание процедуры обзора (управление обзором) и, в соответствии с
ней, ориентация главного луча антенны с учетом механического
вращения полотна антенны; обнаружение, измерение и оценка ко-
ординат (параметров движения) воздушных целей.
Модель управляемого обзора имитирует работу основных эле-
ментов системы формирования процедуры обзора пространства
[26], определяющей последовательность наиболее предпочтитель-
ных (в соответствии с заложенными принципами оптимальности)
для просмотра угловых позиций.
Модели обнаружения сигналов в приемном тракте РЛС, из-
мерения и оценки координат воздушных целей на основе выполне-
ния энергетических расчетов распространения радиосигналов обес-
печивают формирование потока входной информации для алгорит-
мов сопровождения, т.е. признаков наличия целей на просматри-
ваемых угловых позициях, измеренных значений их координат и
параметров движения относительно самолета-носителя.
В модели оценки целевой обстановки на основе анализа и на-
копления информации, поступающей из модели РЛС, производится
формирование трасс, прогнозирование их развития, и отождествле-
ние их с данными о повторно обнаруженных целях, т.е. имитирует-
ся работа алгоритмов сопровождения воздушных целей, условно
разделяемых на процедуры завязки траектории, экстраполяции тра-
екторий в промежутках между измерениями, идентификации ре-
зультатов первичных измерений, коррекции (фильтрации) траекто-
рий, ранжирования целей и сброса траекторий с сопровождения,
обнаружения маневра цели и адаптации к нему и др.
Особенности, обусловленные возможностям РЛС
на основе ФАР с электронно-механическим сканированием,
учтенные при реализации алгоритмов сопровождения
в модели оценки целевой обстановки
• Переменный темп поступления первичных измерений, обу-
словленный перемещением целей, маневрированием носителя
РЛС, наличием приоритетных секторов.
• Изменение состава и точностных характеристик первичных
измерений на различных этапах сопровождения.
• Возможность обнаружения и формирования первичных изме-
рений от нескольких целей или групп целей на одной угловой
позиции.
96
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
• Наличие временных задержек в получении результатов первич-
ных измерений, связанных с используемыми вычисли!елями.
• Воздействие различного рода помех.
В блоке формирования показателей эффективности на осно-
ве сравнительного анализа реальной целевой обстановки, получае-
мой из модели тактической ситуации, и ее оценки, формируемой в
результате работы модели РЛС и алгоритмов сопровождения воз-
душных целей, производится вычисление показателей (1.24) -
(1.30), характеризующих эффективность решения РЛС задач, свя-
занных с обзором пространства.
Графический интерфейс пользователя (графическая оболочка
имитационной модели) должна обеспечить органичное включение
пользователя в процесс разработки и исследования алгоритмов об-
зора пространства на основе построенной имитационной модели.
Для решения этой задачи в составе графической оболочки
реализован ряд графических форм (окон), обеспечивающих воз-
можности управления процессом моделирования со стороны поль-
зователя и отображения результатов моделирования.
Окна, которые можно выделить
среди основных реализованных графических форм
имитационной модели (рис. 1.26)
• Окно управления модели — для выбора варианта загрузки ис-
ходных данных (целевой обстановки, алгоритма формирования
процедуры обзора пространства и др.), контроля развития мо-
делирования во времени, вывода сообщений пользователю.
• Окно управления режимами работы РЛС - для изменения па-
раметров функционирования РЛС сантиметрового и децимет-
рового диапазонов (задания приоритетных секторов, характе-
ристик излучаемых сигналов, частоты механического враще-
ния полотна антенны и т.д.).
• Окно отображения целевой обстановки - для представления
общего развития целевой обстановки относительно носителя
РЛС (траектории движения самолета-носителя и воздушных
целей), а также ее оценки, сформированной в результате рабо-
ты алгоритмов сопровождения воздушных целей (рассчиты-
ваемые трассы).
• Окно отображения результатов моделирования - для демон-
страции процедуры обзора пространства, а также рассчитан-
ных показа! елей качества (1.24) - (1.29), характеризующих
полноту и достоверность решения задачи обзора пространства.
97
РЛС АВИАЦИОННО-КОС МИЧЕСКОТ0 МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 1.26
Формирование показателей точности функционирования алго-
ритмов сопровождения воздушных целей осуществлялось по окон-
чании имитационного моделирования в результате считывания из
базы данных MySQL [9] накопленной в процессе имитации инфор-
мации об истинных и оценочных фазовых координатах воздушных
целей в соответствие с (1/30). Для представления динамики измене-
ния фазовых координат (и их оценок) использовались стандартные
средства визуализации программной среды MatLab [27].
Результаты имитационного моделирования
Реализация в виде программного модуля структуры имитационной
модели функционирования РЛС (рис. 1.24) в соответствии с разра-
ботанными технологическими требованиями обеспечила возмож-
ность проведения исследований с целью получения оценок эффек-
тивности решения задачи обзора пространства РЛС АК РЛДН, обо-
рудованной ФАР с электронно-механическим сканированием, при
различных алгоритмах сканирования
На основе разработанной модели были получены оценки эффективности
функционирования РЛС при различных вариантах целевой обстановки (в ко-
личестве воздушных целей от 10 до 200, равномерном распределении целей по
98
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
азимуту и группировании их в отдельных угловых секторах), а также при вари-
антах управления главным лучом антенны: установки по нормали к полотну
(сканирование только за счет механического вращения антенны) и реализации
процедуры электронного сканирования.
Таблица 1.9
Показатель эффективности Механическое сканирование Электронно- механическое сканирование
Средний коэффициент проводки, с Более 0,9 при Грнс>300 Более 0,9 при Т^нс > 300 с
Среднее время непрерывного сопровождения, с Более 600 Более 600
Среднее время завязки трассы, с 10...15 8...12
Коэффициент ложных трасс Менее 0,01 Менее 0,01
Точность определения плоскостных координат, км 0,3... 0,5 0,3...0,5
Точность определения высоты, км 0,8...1,2 0,8...1,2
Точность определения скорости, км/ч 20...25 20...25
ax = 66 м
oY - 78 м
x
X 1 L- V
X t
a? - 252 м
gYX~ М^С
п 1 X г г>
и и " -и 1 .--II? L ц.. Чотг*
о* 7 м/с
nr г“П. П ... г '-1 Г '
1 Г\.Н J-
Рисунок 1.27
99
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Полученные в результате имитационного моделирования ха-
рактеристики, представленные в табл. 1.9, хорошо согласуются с
ожидаемыми результатами.
На рис. 1.27 показан пример фазовых траекторий, пересчитан-
ных в абсолютную СК, полученных в результате работы алгорит-
мов сопровождения отдельной воздушной цели.
Реализованная в соответствии с разработанными требованиями имита-
ционная модель функционирования РЛС может использоваться в каче-
стве основы для решения задач пространственного обзора, а именно:
оптимизация процедуры пространственного сканирования; выбор тра-
ектории движения самолета-носителя; настройка алгоритмов сопрово-
ждения воздушных целей; выбор режима функционирования РЛС и т.д.
1. Герасимов А.А., Дудник П.И., Ильчук А.Р., Кондратенков Г.С., Татарский Б.Г. Авиа-
ционные радиолокационные комплексы и системы: учебник для слушателей и кур-
сантов ВУЗов ВВС / Под ред. П.И. Дудника. М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковско-
го. 2006.
2. Антипов В.Н., Меркулов В.И., Самарин О.Ф., Чернов В.С. Основные направления
развития авиационных бортовых РЛС // Успехи современной радиоэлектроники.
2009. № 10.
3. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов. Основы теории. М.: Наука. 1990.
4. Бакут П. А., Большаков И. А., Герасимов В. М. и др. Вопросы статистической теории
радиолокации. Т. 1. М.: Сов. радио. 1963.
5. Бакут П. А., Иванчук Н. А., Жулина Ю. В. Обнаружение движущихся объектов. М.: Сов.
радио. 1980.
6. Васильев О. В., Меркулов В. И., Карев В. В. Управляемый радиолокационный поиск
воздушных целей // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радио-
электроники. 2002. №1.
7. Васильев О. В., Карев В. В. Управляемый радиолокационный поиск воздушных це-
лей, оптимизированный по информационному критерию // Радиотехника. 2000. №3.
С. 84-88.
8. Василевич Л. Ф., Ежов С. А. Управление обзором локационных средств в режиме
поиска и обнаружения целей // Радиоэлектроника. 1993. № 9.
9. Веллинг Л., Томсон Л. MySQL. Учебное пособие. Краткое изложение основ работы с
MySQL. М.: Вильямс. 2005
10. Верба В.С. Тенденции развития авиационных и космических средств информацион-
ной разведки и дозора // Наукоемкие технологии. 2004. № 8-9.
10. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб.:
Питер. 2000.
11. Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Климачев К.Г. и др. Активные фазированные решетки.
М.: Радио и связь. 1993.
12. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазирован-
ных антенных решетках. М.: Радиотехника. 2010.
100
ГЛАВА 1. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛОВ
13. Дьяконов В.П. MATLAB R2007-2008-2009 для радиоинженеров. М.: ООО «Издатель-
ство ДМК - Пресс». 2010.
14. Заде Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию при-
ближенных решений. М.:Мир. 1976.
15. Конторов Д. С., Голубев-Новожилов Ю. С. Введение в радиолокационную системо-
технику. М.: Сов. радио. 1971.
16. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. М.: Радио и связь. 1982.
17. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные сети. М.:
Физматлит. 2001.
18. Кузьмин С. 3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокацион-
ной информации. М.: Радио и связь. 1986.
19. Курочкин А.П. Развитие антенно-фидерной и оптоэлектронной техники в ОАО
«Концерн радиостроения «Вега» // Наукоемкие технологии. 2004, № 8-9.
20. Магазанник В.Д., Львов В.М. Человеко-компьютерное взаимодействие: Учеб, посо-
бие для вузов. Тверь: Триада. 2005.
21. Мажура Н.Н., Пешко А.С., Юрчик И.А. Организация обзора пространства РЛС на ос-
нове ФАР с электронно-механическим сканированием // Радиотехника. 2009. № 8.
22. Мажура Н.Н., Пешко А.С., Шуклин А.И., Юрчик И.А. Имитационная модель для ис-
следования эффективности обзора пространства РЛС на основе ФАР с электронно-
механическим сканированием // Радиотехника. 2010. № 7.
23. Меркулов В. И., Лепин В. Н. Авиационные системы радиоуправления. Ч. 1. Методы
синтеза и анализа систем радиоуправления. М.: Радио и связь. 1997.
24. Многофункциональные радиолокационные системы / Под ред. Б.Г.Татарского. М.:
Дрофа. 2007.
25. Морозов И. А., Сныткин Ю. В. Управление радиолокационными наблюдениями по
информационному критерию // Радиоэлектроника. 1993. № 9.
26. Пешко А.С., Мажура Н.Н., Юрчик И.А. Организация обзора пространства РЛС на ос-
нове ФАР с электронно-механическим сканированием. М.: Радиотехника. 2009. № 8.
27. Потемкин В.Г. Вычисления в среде Matlab. М.: Диалог МИФИ. 2004.
28. Радиолокационное оборудование автоматизированных систем управления воздуш-
ным движением / Под ред. А.А. Кузнецова. М.: Транспорт. 1995.
29. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник / Под ред.
Я.Д. Ширмана. М.: Радиотехника. 2007.
30. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т.1. РЛС - информа-
ционная основа боевых действий МФ самолетов. Системы и алгоритмы первичной об-
работки радиолокационных сигналов / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова.
М.: Радиотехника. 2006.
31. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я.
Д. Ширмана. М.: ЗАО «Маквис», 1998.
32. Райордан Р.М. Основы реляционных баз данных. М.: Русская редакция. 2001.
33. Розанов Б. А., Форштер А. А. Оптимальное управление обзором при старении при-
обретаемой информации // Радиотехника и электроника. 1973. Т. 18. № 6.
34. Саблин В.Н. Разведывательно-ударные комплексы и радиолокационные системы
наблюдения земной поверхности.
35. Спока В.К., Васин В.И. Цифровая интеллектуальная ФАР - перспективная технология
для радиолокационных и радиоинформационных комплексов XXI века // Вестник МАИ.
2000. Т. 7. № 1.
36. Спока В.К. Перспективы и направления развития глобальных и низко- и среднеор-
битальных спутниковых систем мультимедийной персональной связи XXI века
(Связь России в XXI веке). Международная академия связи. 1999.
37. Современное состояние и перспективы развития беспилотных авиационных систем
XXI века. Аналитический обзор по материалам зарубежных информационных ис-
точников / Под общ. ред. акад. РАН Е.А.Федосова. Составитель О.С.Титков. М.: На-
учно-информационный центр ГосНИИАС. 2012.
101
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
38. Таныгин А.А. Перспективы развития радиолокации // Вестник концерна ПВО «Ал-
маз-Антей». 2011. №1(5).
39. Технология открытых систем / под ред. А.Я. Олейникова. М.: Янус-К. 2004.
40. ФАП «Радиотехническое обеспечение полетов и авиационная радиосвязь. Сертифи-
кационные требования» (приказ директора ФСВТ России №248 от 11 августа 2000
года), приложение 4.
41. Фаулер М., Скотт К. UML в кратком изложении. М.: Мир. 1997.
42. Федунов Б.Е., Прохоров М.Д. Вывод по прецеденту в базах знаний бортовых интел-
лектуальных систем // Искусственный интеллект и принятие решений. 2010. № 3.
43. Шаллоуей А., Тротт Д.Р. Шаблоны проектирования. Новый подход к объектно-
ориентированному анализу и проектированию. М. Вильямс, 2002.
44. Ширман Я.Д., Голиков В.Н., Бусыгин И.Н. Теоретические основы радиолокации /
Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Сов. радио. 1970.
45. Ярлыков М.С., Болдин В.А., Богачев А.С. Авиационные радионавигационные уст-
ройства и системы. М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1980.
46. Karzhavin LA., Neyman B.Z., Gundobin G.S., Vislov V.I., Lashenko A.В., Levande A.B.
A study of noise and collateral phenomena observed in central cathode magnetron de-
vices, Applied Surface Science, 215(2003), 291-300.
47. Melvin И/. L. Space-Time Detection Theory. Georgia Tech Research Institute. 7220
Richardson Road, Smyrna, GA 30080, USA.
48. Ward J., Kogon S. M. Space-Time Adaptive Processing (STAP) for AMTI and GMTI
Radar// MIT Lincoln Laboratory, 26 April 2004.
102
Радиолокационные
системы
высокого разрешения
Я . л л ни) Л Г! Ш к Я Я Я кН Г. * к к к Я '.к' к к Я kJ Я Г Я 'к Я к Я Я Я к Я к к К'. кН к Я к к Я к Я к Я к к < к Я к к 'к' к *?к к Л к Я к ЯЛ к
2. 1< Компьютерные технологии при создание
радиолокационных систем высокого разрешения ................
2.2. Направления развития многочастотных авиационных
радиолокационных комплексов
дистанционного зондуоов^ния
высокого разрйюе! < Л1
2.3. Модифицированный алгоритм обнаружения сигнала,
отраженного от наземной движущейся цели
для РСА с ФАР ..........................................
2.4, Формирование эталонных радиолокационных портретов
надводнь1Х’^рр^л^й с использованием
ограниченнй^'й^бсрэ Экспериментальных данных
2.5. Обработка больших массивов
цифровых радиоголограмм космических РСА
высокого разрешения ..............................
2.6 Разработка и особенности использования
______^.Дграиопйнд^ дляЛзамЙь1Х
и летных испытаний, калибровки и валидации
космических РСА...................................
Литература ..............................................................
I
104 i
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
В материалах данной главы главное внимание сосредоточено на
радиолокационных системах, которые предназначены для форми-
рования высокодетального радиолокационного изображения зем-
ной поверхности. Известно [1, 9, 21], данная задача будет решаться
в том случае, если линейные размеры элемента разложения РЛИ
(элемента разрешения) будут соизмеримы с линейными размерами
мелкодетальных наземных объектов наблюдения.
В связи с тем, что вопросы, связанные с обеспечением высокого
разрешения РЛС по шкале дальности, будут рассмотрены в гл. 4, то
основное внимание обращено на РЛС с режимом синтезирования
апертур, которые реализуют высокое линейное разрешение по ази-
муту.
I ' ' •
Компьютерные технологии при создании
перспективах радиолокационмых систем
высокого разрешения К.....
* . -
U
• 1
При проектировании перспективных радиолокационных систем высокого раз-
решения, к которым, в первую очередь, относятся РЛС с синтезированием
апертуры антенны (РСА), широко используют современные компьютерные
технологии [19].
Это стандартные пакеты для выпуска схем, конструкторской и
текстовой документации, специализированные пакеты для про-
граммирования цифровых и цифроаналоговых микросхем. Кроме
того, прикладные пакеты для проведения специальных расчетов. К
ним, например, относится и разработанная программа для расчета
режима «скансар», учитывающая реальные формы ДНА и уровни
неоднозначности сигналов. В качестве примера на рис. 2.1 пред-
ставлено изображение формы ДНА при использовании данного
режима с границами однозначности сигнала по дальности. Досто-
инством разработанной программы является обеспечение в ней со-
пряжения по вводу/выводу с пакетом MATLAB, что открывает ши-
рокие возможности для анализа данных и моделирования методов
коррекции искажений.
104
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Рисунок 2.1
В частности, на рис. 2.2,6/ приведена измеренная зависимость от-
клонения ФЧХ-сигнала от идеальной. Форма сжатого импульса пока-
зана на рис. 9,6 (кривая 7). Было установлено, что при максимальной
полосе сигнала 200 МГц суммарный набег фазы на крайних частотах
значительно превышал допустимый для сжатия ЛЧМ до требуемых
5 нс. Указанное явление, в основном, было обусловлено фазовыми на-
бегами в цепях формирования зондирующего сигнала.
По результатам моделирования была вычислена корректи-
рующая фазовая поправка, которую необходимо вводить в алго-
ритм наземного синтеза РЛИ (либо предыскажения ЛЧМ-сигнала
при его формировании в ФЧС). Форма сжатого сигнала с коррекци-
ей фазовых искажений приведена на рис. 9,6 (кривая 2).
Рисунок 2.2
Моделирование преобразований сигналов в РСА
При математическом моделировании, как правило, входной про-
цесс задают в виде набора имитированных точечных целей с до-
105
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
бавлением некоррелированного (реже - коррелированного) слу-
чайного процесса.
Уникальные возможности возникают при использовании в качестве входных
данных для моделирования комплексных радиолокационных изображений
объектов и подстилающей поверхности, полученных в результате съемки с по-
мощью реальной аппаратуры космических или самолетных РСА. В этом случае
результаты моделирования максимально приближаются к ожидаемым в ре-
альных условиях.
Предложенный подход к моделированию процессов обработ-
ки сигналов в РСА [35] основан на обращении последовательности
операторов, с помощью которой моделируют исследуемый РСА.
Моделирование комплексного радиолокационного изображения
рассматривается как результат последовательного применения об-
ратной двумерной свертки (деконволюции) для получения тестовой
цифровой радиоголограммы и прямой двумерной свертки для син-
теза КРЛИ:
5(x,r) = Synt{Hol(x,r)} = Synt|Synt-1 {Set (х, r)}j
или в спектральной области
(&\- ? (Or ) — ^Synt (^?х ’ )^Но1 (^?х ’ Ох ’ ’
где S&(x,r) и S(x,r) - исходное эталонное и получаемое КРЛИ;
Но1(х,г) - ЦРГ, формируемая по эталонному КРЛИ; Synt - проце-
дура синтеза КРЛИ; Synt 1 обратная процедура формирования
ЦРГ, FSet -спектр эталона, А?ноЬ FSynt - частотные характеристики
фильтров формирования ЦРГ и синтеза КРЛИ.
На рис. 2.3 представлена схема моделирования преобразований
сигналов в РСА с использованием реальной фоноцелевой обстанов-
ки, представленной комплексными РЛИ. Пунктиром указан возмож-
ный вариант сокращения вычислений без формирования ЦРГ.
При анализе конкретных алгоритмов формирования КРЛИ прямая и обратная
операции реализуются соответствующей композицией операторов БПФ, ОБПФ,
умножения на двумерные опорные функции.
106
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Разработанная методика включает в себя ряд операций подго-
товки данных, в том числе коррекцию двумерного спектра КРЛИ
для исключения неоднозначности, ретушь амплитудного РЛИ с об-
нулением неотражающих элементов подстилающей поверхности
(дороги, спокойная водная поверхность) и др. Для моделирования
РСА с разрешением лучшим, чем исходный материал, его масшта-
бируют, т.е. рассматривают как радиолокационный снимок умень-
шенной модели местности.
Для моделирования алгоритмов селекции движущихся целей КРЛИ разделяют
на несколько слоев, содержащих в первом слое местность и «лысые» места от
целей, а во втором (или других) - движущиеся цели. Формирование ЦРГ ведет-
ся по разным алгоритмам для местности и слоев с целями, затем парциальные
ЦРГ суммируются и к ним добавляются шумы.
Для сокращения вычислений вместо формирования полной
ЦРГ суммируют азимутальные или двумерные спектры сигналов,
добавляют шумы в спектральной области и моделируют синтез
РЛИ, начиная с вычисленных спектров. Для моделирования интер-
феррометрической обработки исходное КРЛИ используют как пер-
вичное, формируя к нему пару по пересчетным формулам в зави-
симости от задаваемого рельефа модели местности.
Применение предложенной методики моделирования позво-
ляет учесть влияние интерференции между отражателями на под-
стилающей поверхности, что трудно выполнить при традиционном
способе имитации входной обстановки.
Достоверность результатов моделирования во многом зависит
от соответствия исходного материала задачам моделирования. В
ряде случаев моделирование является инструментом для решения
общих задач, связанных с совершенствованием аппаратуры СРЛН,
например получения радиолокационных изображений местности и
радиолокационных портретов целей для обучения операторов-
дешифровщиков методам распознавания целей, разработки алго-
ритмов автоматического распознавания и алгоритмов сжатия ин-
формации. Применение моделирования в этих задачах относится к
случаю, когда имеется исходная обстановка с более высоким раз-
решением (например, от самолетных РСА). чем расчетное разре-
шение проектируемого РСА (космического).
В последнее время в задачах интерпретации радиолокационной информации
обозначилось новое направление повышения информативности видовых
средств наблюдения - верификационное моделирование [27], с помощью ко-
торого можно на основе моделирующего эксперимента объяснить механизм
формирования наблюдаемого явления.
107
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРА1К ТВ А
Пример такого моделирования - выявление сжатия ледовых
полей по радиолокационным изображениям РСА ERS-1, ERS-2,
полученным с интервалом 1 сут. [17, 35].
В частности, была проведена съемка острова Октябрьской ре-
волюции и окружающей ледовой обстановки в море Лаптевых с
получением интерферрограммы (рис. 2.4,я,г). По ее материковой
части был построен рельеф ледника (рис. 2.4,6). Интерференцион-
ная картина по ледовым полям (рис. 2.4,г и ж - фрагменты нижней
части рис. 2.4,а) не поддавалась объяснению. По одному комплекс-
ному РЛИ и в предположении о сжатии ледовых полей было смо-
делировано вторичное КРЛИ и получены фрагменты интсрферро-
грамм (1-4 на рис. 2.4,3), совмещенные с реальными ингерферро-
граммами на рис. 2.4,е.
Измеренные значения сжатия ледовых полей по азимуту (на
135° от меридиана) составило 0,01 ...0,24% на участке J, а на участ-
ках 2, 3 и 4, соответственно, 1,9, 2,6 и 2,2%.
Рисунок 2.4
108
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Формирование банков радиолокационной
фоноцелевой обстановки
В общем случае, когда имеется возможность использовать инфор-
мацию разных радиолокационных датчиков с разными характери-
стиками, численные методы тематической обработки оперируют с
несколькими параметрами.
Параметры наблюдаемой поверхности или объектов
• Удельная эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) в пиксе-
лях радиолокационного изображения, измеренная в разных
диапазонах волн на согласованных (ГГ, ВВ) и ортогональных
(ГВ, ВГ) поляризациях или, если это предусмотрено, на согла-
сованных и противоположных круговых поляризациях.
• ЭПР или удельная ЭПР при усреднении РЛИ по площади объ-
екта или однородного участка местности.
• Гистограммы распределения удельной ЭПР по однородным
участкам местности, автокорреляционные функции и парамет-
ры текстурного анализа.
• Корреляционные зависимости между данным зондирования в
разных диапазонах волн.
• Разность фаз между поляризациями ГГ, ГВ, ВВ, ВГ, что обеспе-
чивает вычисление полной матрицы Стокса или ее компонентов
(для типизации лесных покровов обычно ограничиваются вы-
числением разности фаз в каналах ВВ и ВГ или ГГ и ГВ).
• Пространственное распределение фаз отраженных сигналов
для интерферрометрической обработки снимков, включающей
построение цифровых карт рельефа, получение трехмерных
изображений объектов, выявление изменений (когерентные
методы change detection), связанных с изменением оперативной
обстановки или сдвигом наблюдаемой поверхности (подвижка
земной коры, ледовая разведка, оценка изменений геометрии
продуктопроводов, опор ЛЭП и т.д.).
Для эффективного решения комплекса этих задач необходимо
формирование банков фоноцелевой обстановки, с их непрерывным
пополнением материалами текущих радиолокационных съемок и
сопутствующими материалами. Типы банков могу! специализиро-
ваться по своему назначению (картография, геология, экология,
океанология, научные и прикладные задачи и др.). Фрагменты бан-
ков данных могут использоваться для целей отработки методик,
моделирования и обучения методам тематической обработки.
В общем виде банки фоноцелевой обстановки должны включать
как обработанные комплексные радиолокационные изображения
109
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
(КРЛИ), представленные в виде амплитудных изображений (РЛИ) и
фазовых изображений (ФРЛИ), а также исходных материалов в виде
ЦРГ и сопроводительной информации. Примеры образцов РЛИ из
банка фоноцелевой обстановки на базе информации, полученной с
помощью РСА «Меч-КУ», представлены на рис. 2.5-2.7 [19].
Рисунок 2.5
Рисунок 2.6
ПО
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
В частности, на рис. 2.5 представлено РЛИ Гибралтарского
пролива с окружающей гористой местностью и долинами [19]. Вы-
делены фрагменты с сельскохозяйственными угодьями с автомати-
ческой агротехнологией, гавань со множеством судов, морская по-
верхность с яркостной модуляцией ряби под влиянием ветра и за-
грязнений, кильватерный след и смещенная относительно него
отметка от движущего судна. На рис. 2.6 представлены РЛИ бухты
с кораблями, а на рис. 2.7 - яркостные и рельефные радиолокацион-
ные портреты кораблей и судов.
Рисунок 2.7
Как видно из рис 2.7 приведенные яркостные и рельефные ра-
диолокационные портреты кораблей и судов представлены с оцен-
ками их ЭПР:
1 - (Т= 3500 м2; 2 - ст= 6060 м2; 3 - <у= 3900 м2;
4 - ст = 6500 м2; 5 - ст= 7360 м2; 6 - ст= 16920 м2;
7 - ст= 16050 м2; 8 - ст= 41600 м2; 9 - ст= 3600 м2,
которые могут быть использованы при выполнении предваритель-
ных энергетических расчетов.
Калибровка РСА
К современным РСА предъявляются требования как к измеритель-
ному инструменту, который, фиксируя отраженное электромагнит-
ное излучение, позволяет измерить электродинамические или гео-
метрические характеристики элементов подстилающей поверхно-
сти или объектов на ней. Данные измерения и результаты их
обработки с получением оценок требуемых параметров являются
111
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИ ТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
содержанием первичных или окончательных информационных
продуктов. Достижение высокой точности радиометрической ин-
формации (порядка 1 дБ) обеспечивается методами внутренней и
внешней калибровки на этапах предполетной подготовки комплек-
са (включая отработку стендового образца) и в течение эксплуата-
ции радиолокационных комплексов на орбите.
Контролируемость точностных характеристик выходной информации должна
поддерживаться организационно-техническими мероприятиями - «службой
калибровки», которая должна непрерывно сопровождать и фиксировать со-
стояние аппаратуры, ее параметры и их временную стабильность. При необхо-
димости в алгоритмы синтеза РЛИ должны вводится корректирующие функции,
как это было рассмотрено ранее. В аппаратуре и в программе эксплуатации
РСА должно предусматриваться периодическое (или экстренное) включение
контрольных и юстировочных режимов для измерения ее параметров и учета
данных измерений в алгоритмах синтеза РЛИ.
Пример получения данных о формах ДНА по азимуту и углу
места при работе РСА «Меч-КУ» с малыми углами падения и РЛИ
уголковой миры представлены на рис. 2.8 [19]. В частности, на рис.
2.8,а.б приведены изображения формы ДНА соответственно в
плоскостях азимута и угла места, а на рис. 2.8,в - РЛИ уголковой
миры. На рис. 2.9 показано выявление дефекта слипания младшего
разряда АЦП, обнаруженное на некоторых протяженных маршру-
тах съемки РСА «Меч-КУ», где рис. 2.9,6/ соответствует нормаль-
ной работе, а рис. 2.9,6 - выявленному эффекту. Дефект появлялся
примерно через 20 с после начала съемки.
Рисунок 2.8
Рисунок 2.9
112
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Рассматривая цепочку преобразования информации при синтезе
РЛИ целесообразно выделить этап предварительной обработки ин-
формации, на котором сигналы с выходов АЦП бортового аппарату-
ры РСА, пройдя накопление и передачу на Землю, преобразуются в
компьютерный формат - две квадратурные составляющие 16-ти раз-
рядов, включая знак (inti6), для последующего синтеза РЛИ.
На этапе предварительной обработки распаковывают данные из
формата АЦП, корректируют случайную фазу зондирующего сигна-
ла и направление закона ЛЧМ, вводимые для уменьшения помех от
неоднозначности сигналов, выравнивают коэффициент усиления
приемника. Такая операция должна учитывать положение аттенюа-
тора в данной строке и фактическое значение затухания, измеренно-
го при калибровке используемого приемного канала (основной, ре-
зервный, поляриметрический, включая неидентичность амплитуд-
ных и фазовых характеристик квадратурных составляющих).
На предварительном этапе можно вводить или формировать
для последующего использования функцию коррекции фазовой
ошибки сквозного тракта, включая блок формирования частот и
сигналов, промежуточные и выходной каскады передатчика, при-
емник, разбросы каналов АЦП. В общем случае корректирующие
функции должны учитывать временные изменения фазы на пере-
ходном температурном процессе (рис. 2.2). В принципе на этом
этапе возможна радиометрическая коррекция искажений сигналов,
вызванных формой угломесгной ДНА и другие коррекции по дан-
ным внешней калибровки РСА или проведения юстировочных и
калибровочных режимов.
Моделирование, основанное на реальных радиолокационных данных,
полученных в ходе летных испытаний и в процессе реальных полетов,
позволяет существенно повысить адекватность результатов модели-
рования реальным процессам и существенно сократить процесс от-
ладки разрабатываемых радиолокационных комплексов, а также
предложить комплекс мероприятий, направленных на повышение
достоверности получаемых радиолокационных данных и своевремен-
ное выявление возможных сбоев в радиолокационной аппаратуре.
113
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКО! О МОНИТОРИН1А ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Направления развитая
многочастотных ав» ационных
2 2 радиолокационных комплексов
дистанционного зондирования
высокого разрешения
Радиолокаторы с синтезированной апертурой являются одним из
важнейших средств дистанционного зондирования в силу прису-
щих им всепогодности, независимости от времени суток и высокой
разрешающей способности. В этой связи современные авиацион-
ные радиолокационные комплексы дистанционного зондирования
высокого разрешения строятся на базе РСА.
Длина волн зондирующих колебаний в РСА
Известно [9, 20, 21], что информативность РЛИ формируемого РСА
в существенной степени зависит от используемой длины волны зон-
дирующих колебаний. Коэффициент обратного рассеяния подсти-
лающей поверхности на определенной длине волны зависит как от
геометрического состояния поверхности (степени ее шероховато-
сти), так и от вариаций ее электрических параметров в некотором
поверхностном слое (несколько скин-слоев).
При картографировании подстилающей поверхности на определенной длине
волны, мы получаем информацию о некотором поверхностном отражающем
слое, глубина которого варьируется в зависимости от шероховатости поверхно-
сти, ее электрофизических параметров и поляризации излучения.
При изменении длины волны происходит изменение степени
шероховатости поверхности, так как эффективно проявляют себя от-
ражающие элементы с размерами, сопоставимыми с длиной волны.
Увеличение длины волны, как правило, приводит к «выглажи-
ванию» отражающей поверхности, за исключением тех случаев, ко-
гда размеры отражающих элементов сравнимы с длиной волны и
возникают резонансные явления.
При увеличении длины волны также, как правило, возрастает
глубина скин-слоя, хотя в ряде случаев и не прямо пропорцио-
нально ее изменению из-за частотной зависимости электрофизи-
ческих параметров подстилающей поверхности.
В частности, на рис. 2.10 и 2.11 представлены РЛИ поверх-
ности земли, полученные при зондировании ее зондирующими
сигналами с длиной волны 4 см (Х-НН ), 68 см (P-VV) и 254 см
(VHF-HH) [20].
114
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
На 2.10 представлены РЛИ лесного массива Московской об-
ласти, на которых выделены: 1 - торфяные разработки; низкий
редкий кустарник; 2 - бывшие торфяные разработки, поросшие
густым молодым березовым лесом; 3 - березовый лес среднего
возраста; 4 - заболоченный участок, чахлый и погибший березовый
лес; 5 - старый сосновый лес, песок, трава, редкий подлесок. Здесь
же приведены фотоснимки отдельных участков зондируемых об-
ластей. При этом РЛИ, полученные при использовании колебаний с
длиной волны 4 см и 254 см, соответствуют горизонтальной поля-
ризации волн, а с длиной волны 68 см - вертикальной поляризации.
Рисунок 2.10
115
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
На рис. 2.11 представлены РЛИ в окрестности излучины р. Оки в
Московской области. На изображениях отмечены: 1 - река Ока; 2 -
сельскохозяйственные угодья; 3 - здание фермы; 4 - ограждения из
колючей проволоки; 5 - поливальные установки типа «фрегат»; 6 -
малые поливальные установки (трубы диаметром 10 см высотой 1.5
м); 7 - поселок; 8 - ЛЭП; 9 - техника на полях. Представленные РЛИ
соответствуют вертикальной поляризации зондирующих колебаний.
Рисунок 2.11
При использовании РСА с существенно различающейся длиной волны можно
получать информацию о свойствах подстилающей поверхности с различных по
глубине отражающих слоев.
116
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Сопоставление между собой многочастотной информации об
отражающих свойствах различных по глубине слоев позволяет су-
дить об изменениях электрофизических параметров подстилающей
поверхности по глубине.
В ряде случаев (песчаные почвы пустыни) глубина проникно-
вения радиоволн метрового диапазона довольно значительна (до
30...50 м), что позволяет при одновременном использовании деци-
метрового и сантиметрового диапазонов иметь несколько глубин-
ных срезов подстилающей поверхности. В качестве примеров на
рис. 2.12-2.14 приведены РЛИ, полученные при совместном зонди-
ровании различных участков земной поверхности в диапазоне 4 см
(X) и в диапазоне 254 см (VHF) [20]..
Так, на рис. 2.12 представлены РЛИ пустыни Кара-Кум и гео-
логическая карта распределения подземных вод, составленная на
основе радиолокационной съемки: 1 - сухое русло р. Узбой; 2
барханы высотой 6... 15 м; 3 - подземные водные линзы. На рис.
2.13 - РЛИ района Архангельской области и геологические карты
кимберлитовых трубок, составленные на их основе: 1 - известная
кимберлитовая трубка; 2 - неизвестные до радиолокационной
съемки кимберлитовые трубки, а на рис. 2.14 - РЛИ акватории
Чешской губы Баренцева моря с участком побережья: 1 - зоны с
меньшей соленостью; 2 - структуры волнения: 3 - завихрения у
мыса Сувойный; 4 - устье реки Пеши, которые получены при вер-
тикальной поляризации зондирующих колебаний.
Рисунок 2.12
117
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 2.13
Рисунок 2.14
118
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Аналогичное проникновение радиоволн через растительность
позволяет проводить идентификацию типов растительности над
увлажненной почвой и обнаруживать скрытые густым раститель-
ным покровом заболоченные участки.
Информативность РЛИ изображений изменяется не только с из-
менением длины волны зондирующих колебаний. Влияние также ока-
зывает и поляризация данных колебаний. Например, на рис. 2.15 при-
ведены РЛИ акватории Норвежского моря, которые получены при од-
новременном зондировании данной области радиолокационными
сигналами на двух поляризациях. Слева на вертикальной поляризации
идентифицируется продуктивная зона, справа на горизонтальной по-
ляризации (в круге) видны идущие по поверхности косяки скумбрии.
Рисунок 2.15
Рисунок 2.16
119
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Наряду с РЛИ наблюдаемых объектов в картинной плоскости с помощью РСА
можно получать трехмерные изображения объектов.
В частности, на рис. 2.16 приведено РЛИ ледовой обстановки
и расположения судов в районе Двинской губы в диапазоне 23 см,
полученное при использовании зондирующих колебаний с гори-
зонтальной поляризацией.
Здесь же показаны трехмерные изображения интенсивностей
отраженных сигналов от отдельно стоящих судов.
В радиолокационных комплексах дистанционного зондирования желательно
использование наиболее широкого частотного диапазона с возможно большим
набором длин волн (резонансные явления в слоистых структурах).
При использовании авиационных носителей для РСА возникают
естественные ограничения на диапазон используемых радиоволн.
Со стороны коротковолновой части диапазон ограничен усло-
виями всепогодности, независимости от времени суток, т.е. это
длина волн 2...5 см. В качестве примера на рис. 2.17 приведено
РЛИ железнодорожной станции в Иркутской области, полученное в
диапазоне 4 см при использовании радиоволн с горизонтальной по-
ляризацией [20].
Рисунок 2.17
120
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Со стороны длинноволновой части диапазон ограничен усло-
виями размещения направленных многополяризационных антен-
ных систем на борту носителя и составляет длину волн 1,5...3 м.
Информация о подстилающей поверхности существенно ме-
няется при изменении длины волны в 3...5 раз (в случае отсутствия
резонансных явлений). Поэтому в радиодиапазоне оптимальными
диапазонами для многочастотного поляриметрического комплекса
дистанционного зондирования следует считать диапазоны 2...5 см;
20. ..30 см; 50. ..80 см и 150. ..350 см.
Разработанный и усовершенствованный в течение 1989-2000
гг. сотрудниками предприятия многочастотный поляриметриче-
ский авиационный радиолокационный комплекс дистанционного
зондирования с синтезированной апертурой и цифровой адаптив-
ной обработкой информации «ИМАРК» использует именно эти
диапазоны длин волн [6].
Возможности использования многочастотных поляриметриче-
ских авиационных комплексов РСА в геологии, картографии, океа-
нологии, сельском и лесном хозяйстве, экологии, контроле эко-
номической зоны, ледовой разведке и т.д., наглядно демонстриру-
ются результатами радиолокационной съемки, приведенными на
рис. 2.10-2.17.
Направления развития авиационных РСА
Основные тенденции развития радиолокаторов
с синтезированной апертурой антенны [59]
• Повышение разрешающей способности.
• Использование интерферометрии для селекции движущихся
объектов и для получения рельефа местности.
• Использование многочастотности и многополяризационности
для обнаружения и опознавания скрытых объектов.
Следуя этим тенденциям, во вновь разрабатываемых авиаци-
онных комплексах РСА закладываются соответствующие техниче-
ские решения.
Режим сверхвысокого разрешения
Разрешающая способность по наклонной дальности. Для реали-
зации режима сверхвысокого разрешения (8у « 0,3...0,5 м) по коор-
динате наклонной дальности у необходимо излучение зондирую-
щего импульса с шириной спектра AF = dldy = 500 МГц. Наиболее
приемлемым является вариант с формированием и излучением ра-
121
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
диоимпульса с линейной частотной модуляцией, девиация частоты
в котором достигает 500 МГц.
В разработанном экспериментальном образце осуществлено активное цифроа-
налоговое формирование ЛЧМ-импульса на нулевой несущей частоте с после-
дующим переносом на более высокие частоты вплоть до частоты излучения.
Формирование ЛЧМимпульса, частоты повторения импульсов, несущих и гете-
родинных частот производится таким образом, чтобы обеспечивался когерент-
ный прием радиолокационного сигнала с возможностью его последующего ко-
герентного накопления при азимутальной обработке.
Выходные широкополосные усилительные каскады передатчика
реализованы на транзисторах с импульсной мощностью не более
5...10Вт.
Для реализации режима сверхвысокого разрешения приемо-
передающие антенны, фидерные тракты и приемный тракт спроек-
тированы таким образом, чтобы обеспечить сквозную полосу про-
пускания не менее 500 МГц.
На рис. 2.18 приведены результаты стендовой отработки канала
дальности. Расстояние между метками на изображении a (d= 6,03 м) и
изображении б (d = 5.,73 м), соответствующими соседним разрешае-
мым отражателям бу = 0,3 м, т.е. реализовано разрешение dv ~ 0,3 м.
Рисунок 2.18
122
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Разрешающая способность по азимуту должна обеспечиваться
синтезированием апертуры антенны. Для получения разрешающей
способности 4с = 0,3 м длина синтезированной апертуры должна быть
не менее Ах = 2/?/24с. Соответственно, ширина диаграммы направлен-
ности в азимутальной плоскости должна быть не менее
^мин = А/28х = 0,05 рад.
Такая диаграмма направленности обеспечивается антенным
полотном с горизонтальным размером < 0,6 м.
Режим измерения рельефа местности
Принцип фазометрического измерения рельефа местности состоит
в специальной, фазометрической, совместной обработке радиоло-
кационных сигналов, принятых одновременно двумя разнесенными
в пространстве антеннами. Антенны должны быть разнесены в
плоскости, перпендикулярной линии пути. Схема облучения и
приема радиолокационных сигналов поясняется рис. 2.19.
Подстилающая поверхность облучается одной из антенн, на-
пример нижней А2. Отраженные сигналы принимаются одновре-
менно двумя антеннами А\ и А2. Разность хода между сигналами,
отраженными от одной и той же точки подстилающей поверхности
и принятыми двумя антеннами, составляет
Ar = sin a — b——,
R
где b - разнос между фазовыми центрами двух антенн. Предпола-
гается, что антенны разнесены строго в вертикальной плоскости;
а - угол визирования; Н - высота самолета относительно визируе-
мой точки; R - наклонная дальность до визируемой точки.
123
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Проведем оценку возможности достижения точности измере-
ния рельефа местности в 4 м на дальности до 50 км и в 10 м на
дальности до 100 км. При этом не будем учитывать кривизну Зем-
ли, поскольку при этих дальностях ее влияние на точностные ха-
рактеристики не существенно.
Высоту Н можно представить как сумму Нр + Л, где Но - высо-
та полета самолета относительно какой-либо горизонтальной по-
верхности, например уровня моря; h - высота визируемой точки
относительно уровня моря.
С учетом такого представления высоты разность хода пред-
ставляется в виде
Разность фаз между сигналами, принятыми двумя антеннами,
составляет
\(р = 2л
b Hp + h
2 R
Вычислив разность фаз, можно рассчитать высоту
h+H0=^я-.
0 2л- b
Точность определения высоты определяется точностью вы-
числения разности фаз Д^>, а также знанием точных значений вели-
чин b, R, Но.
Точность определения абсолютной высоты рельефа или отдельных объектов
местности определяется точностью определения высоты полета самолета. Эта
точность может быть достигнута только относительной калибровкой высоты во
время выполнения полета по реперным точкам с известной абсолютной высо-
той. Между реперными точками должен производиться контроль изменения
высоты с помощью инерциальной навигационной системы. Если реперные точ-
ки расположены достаточно близко друг от друга, то требования к навигацион-
ной системе упрощаются.
Оценим однозначность и точность измерения высоты h для
следующих значений основных параметров:
2 = 0,031 м;6 = 0,4 м;
^Омакс — Ю КМ, 77омин ““ 1 КМ,
^макс 50, 100 км, 7?мин 4 км.
Однозначность определения высоты h0 определяется из усло-
вия \(р = 2л. Отсюда h0 = 310 м для минимальной наклонной даль-
ности. Очевидно, что такие перепады практически невозможны для
124
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
точечных наземных объектов и поэтому проблемы неоднозначно-
сти для выбранных параметров не существует.
Из выражения, определяющего высоту h+Ho, находя частные
производные по соответствующим параметрам, получаем следую-
щие оценки точности измерения высоты в зависимости от погреш-
ности измерения наклонной дальности ЛЯ и расстояния между фа-
зовыми центрами \Ь. Для оценки точности определения высоты
можно положить h+ Но ~ Но, Тогда
Д/г(Я) = ,
Д/г(Ь) - -\b
Точность определения наклонной дальности при соответствующей калибровке
равна разрешающей способности по наклонной дальности.
Поскольку отношение высоты полета к наклонной дальности
меньше единицы, точность измерения высоты выше, чем разрешаю-
щая способность по дальности.
При b = 0,4 м и Hq = 10 км для измерения высоты рельефа с
точностью 5 м необходимо знание параметра Л£ с точностью
0,2 мм. Такая точность может быть достигнута только стендовой
калибровкой или относительной калибровкой в полете по специ-
ально подготовленному полигону с реперными объектами. При от-
носительном измерении рельефа такая точность определения рас-
стояния между фазовыми центрами антенн не нужна.
Важным фактором, влияющим на точность измерения высоты,
является отношение сигнал/шум. Формулу определения высоты за-
пишем в виде
h + HQ+Sh = + R-
0 2л- b
ИЛИ
где Sep - шумовое изменение разности фаз; 8h - неточность измере-
ния высоты, вызванная шумами.
Поскольку точность измерения фазы определяется отношением
шум/сигнал (по напряжению), шумовая составляющая разности фаз
будет соответственно в д/2 раза больше. Таким образом, при тре-
125
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
буемой точности определения высоты на дальности 50 км, равной
4 м, соотношение сигнал/шум должно составить не менее 47 дБ. Для
дальности 100 км и точности определения высоты 10 м это соотно-
шение должно быть равно 45 дБ.
Если задаться средней мощностью передатчика 1 кВт, то, как
показывают расчеты, требуемая точность определения высоты дос-
тижима для точечных объектов с ЭПР 10 м2.
При расчете высоты h следует учитывать еще два фактора,
влияющих на этот расчет:
1) постоянная разность фаз Д^о в каналах антенн и приемников;
2) отклонение (у/) оси фазовых центров двух антенн от верти-
кали по углу места.
Постоянная разность фаз Дде> вызывает абсолютную погреш-
ность, нарастающую пропорционально дальности:
которая может быть скомпенсирована методами калибровки по ре-
перным объектам.
С учетом отклонения у/ выражение для разности фаз между
каналами приема имеет вид
\<pv =2^-jsin((z-^).
Отклонение по углу места у/ приводит к ошибке измерения
высоты Sh~y/Rcc)sa . Таким образом, постоянное отклонение по
углу места также вызывает погрешность определения высоты в за-
висимости от дальности. Для получения точности определения вы-
соты на дальности 100 км, равной 10 м, необходима компенсация у/
с точностью до 20 угл. с.
Для отработки алгоритма фазометрического формирования
рельефа был разработан экспериментальный образец аппаратуры и
проведена радиолокационная съемка различных участков поверх-
ности в районе Кольского полуострова.
На рис. 2.20 приведено изображение рельефа участка местно-
сти, полученное фазометрическим методом. Измеренный перепад
высот на границе суша/водная поверхность составляет 20...80 м,
что хорошо коррелируется с данными топографической карты,
фрагмент которой приведен на рис. 2.21 [20].
126
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Рисунок 2.20
Подводя итог приведенных расчетов и обсуждений по режиму
ИРМ, можно сделать следующие основные выводы:
• для реализации режима требуется разработка антенной системы,
состоящей из двух разнесенных по вертикали идентичных ан-
тенн;
• потенциал радиолокатора в данном режиме должен быть суще-
ственно выше, чем для режима обнаружения;
• в состав антенной системы должны быть введены элементы
инерциальных навигационных систем для контроля углового
положения антенн;
127
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
для уменьшения ошибок определения высоты требуется раз-
работка и осуществление методов внутренней и внешней ка-
либровок.
Рисунок 2.21
Режим измерения малых радиальных скоростей
Принцип фазометрического измерения малых радиальных скоро-
стей состоит в специальной, фазомегрической, совместной обра-
ботке радиолокационных сигналов, принятых одновременно двумя
разнесенными в пространстве антеннами. Антенны должны быть
разнесены в пространстве вдоль линии пути.
128
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Подстилающая поверхность облучается одной из антенн, на-
пример передней А у. Отраженные сигналы принимаются одновре-
менно двумя антеннами А[ и А2. Временная задержка между изо-
бражениями от одной и той же точки подстилающей поверхности,
полученными двумя антеннами, разнесенными в пространстве
вдоль линии пути на расстояние Z, составляет
где L - разнос между фазовыми центрами двух антенн, предполага-
ется, что антенны разнесены строго вдоль линии пути; Ес - ско-
рость самолета относительно визируемой точки.
В случае движения визируемой точки с радиальной скоростью
Vr точка на втором изображении сместится на расстояние Дг = V,At,
2тт
что будет соответствовать сдвигу по фазе \(р = 2 Аг——.
Таким образом, радиальная скорость точки F, определяется по
ее относительному фазовому сдвигу Д$9 на изображениях следую-
щим образом:
г АфЛ
C~^L
Из этого выражения следует, что диапазон однозначного измере-
ния радиальной скорости ДКГ, соответствующий Аср = 2л, будет
с 2L
Точность измерения радиальной скорости точки 3Vr соответ-
ственно равна
Если положить соотношение сигнал/шум в каждом измери-
тельном канале равным 20 дБ, что является типичным требованием
для обнаружения точечных объектов, то эффективное значение фа-
зового шума для этих точечных объектов составит д(р = 0,1 рад
и шумовая составляющая разности фаз будет в V2 выше, т.е.
равна 0,14 рад.
При Vc = 720 км/ч; L ~ 60 см и 2 3 см будем иметь диапазон
однозначного измерения радиальной скорости ДЕГ = 18 км/ч и точ-
ность измерения радиальной скорости точки 3Vr = 0,4 км/ч.
129
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Диапазон однозначных измерений в этом случае может быть достаточно просто
расширен с помощью традиционного одноканального метода измерения ради-
альной скорости по доплеровскому смещению спектра.
Точность измерения радиальной скорости точки также зави-
сит от траекторных нестабильностей носителя в процессе съемки.
Наиболее существенными являются вариации по курсу, так
как они вызывают относительное перемещение разнесенных вдоль
линии пути антенн в радиальном направлении.
В случае рыскания носителя по курсу с угловой скоростью сок
относительная радиальная скорость фазовых центров двух антенн
разнесенных на расстояние L
Vг ОТН
Эта радиальная скорость должна быть меньше точности изме-
рения Vr отн < 8КГ, откуда получаем ограничение на угловую ско-
рость сок:
8срХ
и в случае выше оговоренных параметров имеем < 107с, что
вполне реально.
Угловые отклонения Ду/ по курсу (снос) или тангажу приводят
к уменьшению расстояния L между фазовыми центрами двух ан-
тенн на величину Д£=£(1 - cos Ду/) « L Рмд'И, что вызовет увели-
чение измеряемой радиальной скорости на величину ДГг^, равную
Ду?Л Ду/2
Эта радиальная скорость должна быть меньше точности изме-
рения ДКГ^ < 8ИГ, откуда получаем ограничение на угловые откло-
нения:
28(р
Ьхр
и в случае выше оговоренных параметров имеем Ду/ <12°.
Отклонения по крену вызывают только изменения величины принимаемого
сигнала (и, следовательно, отношения сигнал/шум) за счет формы диаграммы
направленности антенны в вертикальной плоскости, однако в реальности ши-
рина луча в вертикальной плоскости велика по сравнению с вариациями носи-
теля по крену и поэтому влияние их не существенно.
В случае улучшения точности измерения радиальной скорости
следует проводить измерения текущих значений углового положе-
ния носителя и его угловой скорости рыскания.
130
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Использование многочастотных РСА
для глубинного послойного зондирования
Имеется практический опыт использования радиолокаторов для глу-
бинного зондирования с борта самолета или вертолета, основанный на
временном разделении сигналов. При этом с борта носителя в надир
излучаются короткие (наносекундные) радиоимпульсы и принимается
сигнал от подстилающей поверхности и ее различных слоев, имею-
щих вариации электрофизических параметров.
Временной селекцией принятого сигнала получают информацию о глубинной
структуре подстилающей среды.
Особенностью этого метода является то, что он дает возмож-
ность получить с хорошим разрешением только вертикальный
профиль подстилающей среды. Полученная информация носит
трассовый характер. Разрешающая способность по направлениям,
ортогональным к направлению распространения, определяется
геометрическими размерами антенны, которые ограничены геомет-
рией летательных аппаратов. Поскольку при глубинном зондиро-
вании с помощью коротких радиоимпульсов эффективно использу-
ется только длинноволновая часть их спектра, то и угловые разме-
ры диаграммы направленности антенны, соответственно,
определяются этой длинноволновой частью их спектра.
Использование многочастотных длинноволновых РСА для
глубинного зондирования существенно отличается от вышеизло-
женного метода.
В РСА осуществляется боковой обзор подстилающей поверх-
ности, и зондирование ведется под углом 0, отличным от нормали.
Отраженный сигнал определяется как геометрическими, так и
электрофизическими свойствами эффективного отражающего слоя,
который для различных длин волн имеет различный вид.
Исследование возможности глубинного послойного зондиро-
вания с помощью многочастотных длинноволновых РСА представ-
ляется целесообразным начать со следующей модели.
Подстилающая поверхность является полупространством с за-
висимостью сг(Л) эффективной площади обратного рассеяния
(ЭПР) от глубины h для длины волны .
Коэффициент затухания в подстилающей поверхности зависит
от глубины и для длины волны 2/ имеет значение at(h).
В этом случае выражение для эффективной площади обратно-
го рассеяния имеет вид
131
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
оо
<т0/ (#)= p’i (Л)Ф; (л> &)dh ’
о
Л h
где Ф; (h, 0) = Az exp
cos#
-2 J (x)dx
о
- функция, учитывающая за-
тухание в среде и определяющая толщину слоя, в котором форми-
руется эффективная ЭПР.
Из соображений нормировки имеем
(ф,(/г,6»>#г = 1.
О
(2.2)
Поскольку точность измерения <т0, ограничена разрядностью
цифрового кода выходной информации к, для случая плавных вариа-
ций при h>ht естественно определить толщину слоя ht, в ко-
тором формируется эффективная ЭПР из следующего выражения:
[ф.(/г,6»)б//г = 1-Д, где А>-^ = 2
О
(2.3)
Поскольку нахождение функции сг(Л) из уравнения (2.1) даже
при известных функциях Ф?(Л) является некорректной задачей,
можно оценить интегральные послойные значения этой функции.
С учетом выражения (2.3) для случая четырех длин волн вы-
ражение (2.1) примет вид
сг01 = (А)Ф] (h)dh + ;
О h{
h\ h2 оо
сг02 = ^a2(h№2(h)dh+ ja2(h)<I>2(h)dh + ^a2(h^2(h)dh;
0 h\ h2
h\ h2
сг03 - p3 (Л)Ф3 (h)dh + Jcr3 (Л)Ф3 (h)dh + (2.4)
о h\
h3 oo
+ рт3(Л)Ф3(Л)б/Л+ ^cr3(h)<P3(h)dh;
/?2
132
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
h2
Л3
°04
= ^а4(Ь)Ф4(к)с1к+ ^&4(к)Ф4(к)е1к+ ^сг4(к)Ф4(Ь)с/Ь
0 hj h2
+ сг4(Л)Ф4(Л)б//2 4- ^<r4(ff№4(h)dh.
Л3 h4
В случае отсутствия частотной зависимости функции cr(h) и с
учетом возможности отбросить члены, лежащие под точностью из-
мерений, выражение (2.4) примет вид
ст01 = pl {h)dh;
о
К h2
сг02 = ^сг 2(h)dh + 2(Ь)Ф 2 (h)dh;
о
hi h2 h3
сг03 = |сг3(Л)Ф3(Л)б/Л+ Гсг3(Л)Фз(Л)б/Л+ сг3(Л)Ф3(Л)б/Л;
0 hi Й2
^cr4(h^4(h)dh+ ^a4(h)Ф4(h)dh +
о
h3 h4
+ сг4(Ь)Ф4(h)dh + сг4(к)Ф4{h)dh.
Л2 h3
Используя теорему о среднем, выражение (2.5) можно преоб-
разовать к следующему виду:
h\
tfbi ^Ю! |ф](/г)^;
о
(2.6)
133
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
который позволяет при известных функциях Ф (й) провести оценку
послойных средних значений сг(й).
Возможности метода демонстрируются рис. 2.22-2.25 [20]. В
частности на рис. 2.22 представлено окно, демонстрирующее пара-
метры первого варианта исходной модели и в нижней части - ре-
зультаты восстановления параметров слоев.
--Steps
Типпбчйы
| Песок 7,
Зависимое** ЗПР ст глуби#
Полни м
3iпонгнциальнаа
Г мперболическая
Ready
Влажность. %
Полином
OK I Cancel
Результаты расчета 5 —
4 см Н’- 0.1292 м S .flmal » 100029
2^ см Н2« 29509 м S1gma2« 978638
68 см нз 158712 м ЕчлпаЗ » 845436
254 см Н4- 353314 м ЗфьаЛ » 4.93495
0
Рисунок 2.22
Первый вариант исходной модели
ип почвы..........................песок влажностью 2%
Зависимость ЭПР от глубины...........линейная, убывающая
На рис. 2.23 представлено окно, демонстрирующее графики
исходной зависимости ЭПР от глубины (линейная, убывающая) и
результаты восстановления параметров слоев (ступенчатая линия)
для первого варианта исходной модели.
На рис. 2.24 представлено окно, демонстрирующее в верхней
части параметры второго варианта исходной зависимост и ЭПР от
глубины (линейная, возрастающая) и в нижней части - результаты
восстановления параметров слоев.
Второй вариант исходной модели
Гип почвы........................... песок влажностью 20%
Зависимость ЭПР от глубины.........линейная, возрастающая
134
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
пи
Рисунок 2.23
4.
Гипгк-чеы
3.8
36
3.4
зг
з.
28
Н1» 1£!£С_*8
120ГЭД
м
2.6
.5204492
4?л
2 4
м
2?
г
35
1.5
05
4 5
4.
5.
Reddy
|цслом*м" тииая
: ип«р6даччаскэя
Н2= |0«®Б
НА. ;122&U
.*54 см Н4 • р"5£"
Signal «
$1д(йл7 ж
f я ' |2 32994
девдл ч 0?&43
2- 25 3
Height m
Sigma
По инн
J'jF ггг-Лйы
C&icei
Регуал-зт* r и
4 см
БЙлм
Рисунок 2.24
На рис. 2.25 представлено окно, демонстрирующее графики
исходной зависимости ЭПР от глубины (линейная, возрастающая) и
результаты восстановления параметров слоев (ступенчатая линия) для
второго варианта исходной модели
Результаты моделирования хорошо согласуются с практически-
ми результатами (см. рис. 2.12 и 2.13).
135
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Не Mndow Hefc Input - tf. Xi
Рисунок 2.25
Следует отметить, что выражение (2.6) также удобно для ор-
ганизации итерационной процедуры уточнение послойных средних
значений сг(Л).
В случае наличия известной частотной зависимости функции
задача оценки послойных средних значений сг(Л) может
решаться аналогично, добавлением соответствующих коэффициен-
тов в выражение (2.6).
Результаты практической работы многочастотного многополяризаци-
онного авиационного радиолокационного комплекса «ИМАРК» демон-
стрируют возможность широкого использования таких многочастот-
ных поляриметрических авиационных комплексов РСА в геологии,
картографии, океанологии, сельском и лесном хозяйстве, экологии,
контроле экономической зоны, ледовой разведке и т.д.
Целесообразным вариантом выбора диапазонов рабочих длин
волн для многочастотных РСА является их различие по величине в
3...5 раз.
Основные направления развития авиационных РСА
Получение сверхвысокого разрешения.
Измерение рельефа местности.
Селекция объектов, движущихся с малой скоростью.
Создание многочастотных поляриметрических комплексов РСА.
136
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Модифицированный алгоритм
обнаружения сигнала, отраженного
от наземной движущееся цели,
для РСА с ФАР
Одной из задач, которая должна решаться РСА, является обнару-
жение наземных движущихся объектов (целей). Данные цели на
РЛИ, формируемом РСА, особенно важны при решении задач,
стоящих перед носителями ударного типа. Поскольку данные объ-
екты, как правило, являются малоразмерными, и должны наблю-
даться вне зависимости от оптической видимости, то для их обна-
ружения и селекции принципиально использование РСА. Наличие
движения цели снижает качество ее обнаружения с помощью РСА.
Ухудшение характеристик обнаружения обусловлено, в основном,
фоновой составляющей местности [21]. В тоже время, широкое ис-
пользование в бортовых РЛС антенных систем на базе (ФАР) по-
зволяет при решении задачи обнаружения и селекции наземных
движущихся целей использовать преимущества многоканальной
пространственной обработки. В этой связи рассмотрим вариант ал-
горитма обнаружения наземных движущихся целей как простран-
ственно-многоканального измерителя углового положения цели
данного типа для РСА с ФАР.
Сигналы цели и подстилающей поверхности складываются
аддитивно, вследствие чего действие флуктуирующего фона можно
рассматривать как аддитивную некоррелированную с сигналом от
цели помеху, а задачу обнаружения малоразмерных целей на фоне
подстилающей поверхности свести к задаче обнаружения флуктуи-
рующего сигнала цели на фоне аддитивного шума.
Траекторный сигнал РСА в т-м элементе ФАР [26]:
L
(0 = ^lG(Pl) еХР {-74 (0} еХР{-М> (А )} + «т (?) ’ <2-7)
7=1
Фт (Pi) = ~к (т - 9 A,sin А
Если в I -м разрешаемом элементе поверхности присутствует
цель, то модуль комплексного коэффициента переотражения ё1
распределен по закону Райса, в случае отсутствия цели - по релеев-
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
скому закону. Случайная фаза в обоих случаях имеет равномерное
распределение.
Как правило, оптимальная процедура обнаружения в радиоло-
кации сводится к формированию отношения правдоподобия [25],
что позволяет алгоритм обнаружения цели представить в виде
( Ffu/7 = 11 >
Z{U^) = F[M/Z = O]<Z?0’ (2‘8)
где /= 1 означает, что сигнал от цели присутствует в принимаемой
реализации (2.7); / = 0 - сигнал от цели в (2.7) отсутствует; F[.] -
функционал правдоподобия.
Принимая во внимание, что функционал правдоподобия ком-
плексного пространственно-временного белого шума имеет вид [8]
отношение правдоподобия для РСА с ФАР запишем в виде
где Re() - вычисление реальной части; * - комплексное сопряжение.
Второе слагаемое в показателе экспоненты числителя опреде-
ляет отношение (сигнал + фон местности)/шум, а в знаменателе
фон местности/шум. От наблюдения они не зависят, поэтому их
можно включить в пороговое значение. Учитывая, что
Тс/2
J ехр
~Тс/2
]2ки(с(/3' -/3^t dt = G
при i^l,
отношение правдоподобия (2.8) можно записать через условное отно-
шение правдоподобия и представить алгоритм обнаружения в виде
138
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
’ |^цф I ’ Рф | ’ ^цф ’ ^ф |
(2.10)
W4G(A)
где UZi (z) - сигнал на выходе при условии, что максимум ДНА на
прием формируется в направлении Д .
Вводя обозначения
(/)G($)exp[j$(/)]^
алгоритм (2.10) можно представить в виде
^цф^СО^ + ^ф)
о___________
l-^cos^+^J
vo
Для устранения влияния на процедуру обнаружения сопутст-
вующих случайных параметров е
ад
h.
цф^фЛфЛ проведем процедуру
усреднения (2.11) по данным переменным [25].
Первоначально проведем операцию усреднения числителя вы-
ражения. Для чего запишем:
139
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
где 70(-) ~ функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргу-
мента; ^ф=Л7^цф|; М- операция вычисления математического
ожидания.
Учитывая известные табличные интегралы [4]
и принимая во внимание 70 (х) = *70 ( jx), так как In (х) = j nJn ( jx),
получаем выражение для числителя в виде
С} ехр{[С2 -С3]1Г2},
глр с - • С - г _ £цф
Яцф+ЗПф 2^2(/)цф+2Г>ф) N*
Усредняя аналогично знаменатель выражения (2.11) с исполь-
зованием табличных интегралов (2.16) -(2.17) , получаем
ехр(с4Ж2)
где С4 =----у.
22V2
Принимая во внимание, что С\ не зависит от наблюдения, вне-
сем его в пороговое значение. Тогда алгоритм (2.11) примет вид
(2.14)
Учитывая монотонность отношения в (2.14), выполним опера-
цию логарифмирования данного выражения [331 и внесем констан-
ты Сг, Сз и С4 в пороговое значение 1п(Л'). Тогда
Z
дв
2
h.
do
(2.15)
140
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Доплеровское смещение частоты принимаемого сигнала являет-
ся случайной величиной, зависящей от возможной величины и уг-
лового положения цели Дц/, поэтому левая часть (2.15) есть условное
отношение правдоподобия при фиксированных и Дц/.
Аппроксимируя радиальную скорость цели и ее угловое положе-
ние независимыми случайными величинами + ... + L>,y
ГЦ ГЦ 11 ИЛ ГЦ1ШЛ
с вероятностью р ( ь>гц/) = р ( ц.ц = ,
/ = 1,/
и р(Ац/) = ~ l = соответственно, априорную плот-
ность вероятности и Дц/ можно представить в виде
Ррг (Чц ) ' А ’ ^(Чц Чш )’
I
Ррг (л)=X м( д - Л/) ’
а отношение правдоподобия получить путем усреднением условно-
го отношения правдоподобия:
Полученный алгоритм является многоканальным, содержа-
щим z-каналов по скорости и 7-каналов по углу. В каждом канале
формируется условное отношение правдоподобия. Число каналов
определяется выбранным диапазоном изменения скорости цели и
угловой разрешающей способности РСА. Каждый канал оканчива-
ется пороговым устройством. Такая система позволяет одновре-
менно обнаруживать отраженные сигналы от целей и приближенно
оценивать параметры данных целей по номерам каналов.
Реализация такого типа обнаружителя, имеет существенные технические труд-
ности. Одна из проблем заключается в необходимости формирования веерной
ДНА с максимумами в направлениях на геометрические центры разрешаемых
элементов поверхности.
141
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Проведем упрощение алгоритма обнаружения. Для этого
представим сигнал на выходе ФАР, входящий в (2.15), в виде
случаях практического применения
(2.17)
РСА Де
Тогда экспоненциальный множитель можно разложить в ряд
Маклорена относительно fl - До = О и ограничиться при этом ли-
нейным членом:
т т
~^']к(тп-l)d3fliexp ik^m-l)d3sinfli .
т
(2-18)
Первая сумма определяет суммарную диаграмму направлен-
ности с максимумом в направлении угла До, а вторая - разностную
ДНА в направлении Д. При этом алгоритм обнаружения (2.15)
можно записать как
Тс/2
j ^so(0G(A)exp[-M(z)Pz_
-7-J2
Гс/2
J 17A0(/)G(y9,)exp[j^(z)]^
-Гс/2
(2.19)
где С7Х0 (О и - сигналы суммарного и разностного каналов,
ориентированных максимумами на центр формируемого кадра.
Доплеровское смещение частоты можно аппроксимировать
дискретной случайной величиной
с веро-
ятностями р(/дг) = р(/д =/д,)> 1 = 1,7. Априорная плотность ве-
роятностью для доплеровского смещения частоты может быть
представлена в виде суммы
i
142
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Отношение правдоподобия, определяющее алгоритм обнару-
жения в данном случае, после усреднения будет иметь вид
(2.20)
Схема обнаружителя, соответствующая выражениям (2.19) и
(2.20), дана на рис. 2.26, который представляет собой обнаружи-
тель, построенный по схеме суммарно-разностной обработки.
Рисунок 2. 26
Рисунок 2.27
143
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Поскольку Р « 1, то при разложении ехр в (2.18) в ряд, вто-
рым слагаемым можно пренебречь и тогда получим алгоритм обна-
ружения
Tc/l >
й(0] = Х f ^zo(0G(A)exp[.M(z)Pz <h-
i -Tc/2
(2.21)
Алгоритм (2.21) представляет правило функционирования
пространственно-одноканального обнаружителя, схема которого
приведена на рис. 2.27 . Процесс обнаружения заключается в том,
что сигнал на квадратичном выходе каждого z-ro доплеровского
фильтра сравнивается с порогом.
Анализ показал, что пространственно-многоканальный обна-
ружитель, разработанный на основе модифицированного алгоритма
обнаружения, позволяет осуществлять обнаружение высококонтра-
стных медленно движущихся наземных целей на фоне подстилаю-
щей поверхности и имеет высокие потенциальные характеристики
за счет раздельной пространственной обработки сигнала цели и
сигнала, отраженного от местности и неподвижных объектов на
ней, с дальнейшей частотной фильтрацией. Однако следует учиты-
вать, что эффективность обнаружения зависит не только от отно-
шения сигнал/фон, но и от скорости движения цели.
Рассмотренные алгоритмы позволяют построить систему обработки РСА
в виде совместного обнаружителя и оценивателя местоположения на-
земных движущихся целей.
Отличительной особенностью алгоритмов является то, что в про-
цессе функционирования одновременно происходит оценка подсти-
лающей поверхности, делая такую систему обработки подстраиваемой
(адаптивной) под особенности наблюдаемой местности.
144
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Формировани
радиолокацией
‘.«'х . ’ Г • ,',и 1 ' jri-J*"'!. wMUk
С ИСПОЛЬЗОВ!
эксперимент!
___________3
цжных
: портретов
ограниченного набора
деаннйх.
Ранее отмечалось, что использование РЛ с синтезированием апер-
туры позволяет получать высокоинформативные РЛИ наблюдае-
мой поверхности и объектов на ней.
Применение широкозахватных РСА космического базирования с соответствую-
щими алгоритмами устранения неоднозначностей сигнала позволяет одновре-
менно реализовать широкую зону захвата (сотни километров) и высокое про-
странственное разрешение (единицы метров), позволяющее получить деталь-
ную информацию для распознавания класса (типа) надводных кораблей в
широком диапазоне водоизмещений.
При решении данной задачи необходимо учитывать влияние
морского волнения, которое приводит к качке и рысканью надвод-
ных кораблей и, как следствие, к искажению радиолокационных
портретов данных объектов, не возникающих при низком разреше-
нии РСА (более 200 м). Физика движения надводного корабля на
взволнованной морской поверхности рассмотрена в [24].
Искажения радиолокационного портрета надводных кораблей,
возникающие при радиолокационном мониторинге морской по-
верхности с помощью радиолокатора с синтезированной аперту-
рой, рассмотрены в [1, 16].
Процедуры, необходимые для реализации
системы распознавания объекта
(отнесение исследуемого объекта
к одному из взаимоисключающих классов) [28]
• Формирование алфавита классов по распознаваемым объектам.
• Разработка словаря признаков.
• Синтез алгоритма распознавания, позволяющий относить кон-
трольную выборку наблюдений к одному из взаимоисклю-
чающих классов или групп классов - при недостаточном объе-
ме имеющейся информации, априорной и полученной во время
сеанса съемки.
• Процесс обучения системы.
Обучение является неотъемлемой составной частью процесса
распознавания и имеет своей целью формирование эталонных опи-
145
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
саний классов, форма которых определяется способом их исполь-
зования в решающих правилах [28]. Использование различных ти-
пов решающих правил при проведении процедуры радиолокацион-
ного распознавания достаточно полно показаны в [30].
Специфика задачи распознавания надводных кораблей обусловлена тем, что
реестр плавсредств может превышать тысячи единиц, а условия наблюдения
изменчивы по разрешающей способности РСА, ракурсам и углам падения, база
данных системы распознавания надводных кораблей должна постоянно обнов-
ляться и дополняться. Функционирование системы распознавания должно со-
держать все перечисленные выше компоненты (с разделением на бортовую
аппаратуру и архивы данных).
Для анализа системы распознавания используют широко из-
вестные методы математического моделирования. Определяющим
фактором является наличие базы данных с цифровыми портретами
надводных кораблей известного класса. Например, использование
экспериментальных данных по надводной обстановке и морской по-
верхности в контролируемых условиях волнения, полученных в ходе
эксплуатации РСА 5-диапазона волн «Меч-КУ» КА «Алмаз-1» [3, 5].
Данные представляются в виде комплексных РЛИ (КРЛИ), т.е. РЛИ,
содержащих амплитудную и фазовую составляющие [1].
При дальнейшем уточнении необходимо основываться на ис-
пользовании статистической теории распознавания образов с уче-
том изменчивости радиолокационных портретов надводных кораб-
лей в процессе их радиолокационного наблюдения [1, 16]. Такой
подход позволяет создать модели РЛИ надводных кораблей с уче-
том характеристик РСА (разрешающая способность) и искажений
РЛИ надводных кораблей вызванного морским волнением.
Основополагающим моментом при создании таких моделей является наличие
специально разработанной методики [2, 18], позволяющей проводить модели-
рование РЛИ НК, находящихся на взволнованной морской поверхности, с уче-
том искажений, вызванных условиями наблюдения (морское волнение, ракурс,
разрешающая способность).
В этой связи рассмотрим формирование базы РЛИ надводных
кораблей с учетом изменчивости их РЛИ при съемке широко-
захватными РСА космического базирования.
Для комплексного решения задачи распознавания надводных кораблей на
взволнованной морской поверхности принципиальное значение приобретает
наличие широкого ряда исходных данных, а именно: радиолокационных изо-
бражений, полученных при вариации различных условий наблюдения. По-
скольку получение экспериментальных данных в виде реальных радиолокаци-
онных изображений одного и того же типа надводных кораблей для многооб-
разных условий наблюдения по многим причинам представляется
затруднительным, целесообразно использовать альтернативный способ - ком-
пьютерное моделирование РЛИ НК.
146
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Оно проводится с использованием ограниченного набора экс-
периментальных данных (РЛИ надводных кораблей на стоянках) и
дополнительной априорной информации (класс надводных кораб-
лей, параметры съемки и т.д.). Такое компьютерное моделирование
позволяет получить РЛИ надводных кораблей различных классов
для РСА с разной разрешающей способностью, а также учесть
влияние факторов искажающих РЛИ надводных кораблей таких,
как морское волнение [1,2, 18].
Наиболее адекватным способом получения РЛИ надводных кораблей является
моделирование с использованием экспериментальных данных как архивных,
так и получаемых от радиолокационных датчиков космического и авиационно-
го базирования. Эти данные должны быть представлены в виде комплексных
РЛ изображений в разных диапазонах волн с набором разных ракурсов и углов
падения, которые набираются по имеющимся радиоголограммам, полученным
в предыдущие годы.
Для примера на рис. 2.28 представлены РЛИ ВМБ Норфолк
(рис. 2.28,6?) и РЛИ ВМБ г. Севастополь (рис. 2.28,6), полученные
по архивным радиоголограммам РСА «Меч-КУ» КА «Алмаз-1» [3,
19] при пространственном разрешении порядка 9 м (5-диапазон).
Рисунок 2.28
Сопоставление формируемых РЛИ надводных кораблей их классам можно про-
водить с использованием соответствующей сопутствующей оптической съемки,
а в случае с надводными кораблями других стран и с использованием сопутст-
вующей информации оптических спутников.
В частности, на рис. 2.29 приведено РЛИ ВМБ Норфолк
ВМС США, полученное РСА «Меч-КУ» КА «Алмаз-1» (виток
2365, 26.08.1991) (рис. 2.29,а) и оптический снимок того же участка
местности (источник Googlmap) (рис. 2.29,6).
147
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Используя полученные РЛИ надводных кораблей на стоянках
в составе общего изображения, можно выполнить формирование
набора интересующих РЛИ надводных кораблей и сопоставление
радиолокационных изображений надводных кораблей их классам.
Для формирования РЛИ надводных кораблей с учетом разрешаю-
щей способности РСА, а также с учетом влияния факторов, иска-
жающих РЛИ надводных кораблей, таких как качка и рысканье
надводных кораблей на морском волнении, применяется проиедура
скелетизации [1,2, 18]. Она использует особенность отражения ра-
диоволн сантиметрового и дециметрового диапазонов от объектов
сложной формы - локальный характер отражения радиоволн.
Рисунок 2.29
Локальность отражения проявляется в том, что при любом ракурсе наблюде-
ния объекта всегда будут присутствовать сигналы от нескольких сильно отра-
жающих конструкций или устройств на фоне слабо отражающей части. В слу-
чае с НК, локальными участками отражения волн служат окрестности точек
зеркального отражения, ребра и угловые конструкции, образованные верти-
кальными стенками надстроек и палубой корабля [31, 32].
Сильно отражающие элементы рассматриваются как локаль-
ные источники отраженного поля (доминантные отражатели). Та-
кие локальные источники отражения в зависимости от разрешаю-
щей способности РСА могут давать раздельные, близкие к им-
пульсному отклику РСА, отметки или результат их интерференции
148
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
в элементе разрешения РСА. В результате моделирования по каж-
дому комплексному радиолокационному изображению (КРЛИ)
надводных кораблей, формируются комплексные точечные модели
надводных кораблей (КТМ НК), представляющие собой массивы
координат центров рассеивания отраженного сигнала для каждого
надводного корабля [1,2, 18].
На рис. 2.30 приведены яркостный (рис. 2.30,я) и рельефный
(рис. 2.30,6) радиолокационные портреты морского судна (предпо-
ложительно, порожний сухогруз). Кроме нескольких доминантных
отражателей на корме имеем близкую к точечным отражателям
разреженную структуру по кромке палубы.
Рисунок 2.30
Анализируя исходное КРЛИ НК по отклонению отметок по на-
клонной дальности от продольной оси, можно определить геомет-
рию распределения ЭПР точечных отражателей с учетом высоты (3D
КТМ) надводного корабля.
Для ее уточнения можно использовать чертежи или оптические
снимки надводного корабля как, например, показано на рис. 2.31 и
2.32, а также интерферометрическую обработку РЛИ, снятых па раз-
ных витках космического носителя РСА. В частности, на рис. 2.31
приведено изображение ТАВРК «Адмирал Кузнецов», полученное
после совмещения локальных источников отражения, выявленных
после обработки РЛИ, с его оптическим изображением.
Пример получения эталонных РЛИ НК для РСА с различной
разрешающей способностью приведен на рис. 2.32, где представле-
ны эталонные РЛИ НК с разрешающей способностью по азимуту 5,
15 и 35 м, которые получены по исходным РЛИ НК при линейном
разрешении по азимуту 1,5 м (С-диапазон).
149
РЛС АВИАЦИОИИО КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 2.31
Рисунок 2.32
Трехмерная КТМ надводных кораблей используется при моделировании их ра-
диолокационных изображений с учетом искажений, вызванных качкой (рис.
2.33). Они также применяются в качестве обучающей выборки при отработке
алгоритма распознавания надводных кораблей, находящихся на взволнован-
ной морской поверхности.
Для получения модели РЛИ надводных кораблей, соответст-
вующей параметрам конкретной РСА, выполняют свертку КТМ с
опорной функцией /?хг, соответствующей импульсной реакции РСА.
150
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Радиолокационная модель надводных кораблей на взволнованной
морской поверхности представляет собой совокупность локальных
источников, изменяющих свое положение в пространстве согласно
законам качки и рысканья. Случайные изменения ориентации над-
водных кораблей (качка, рысканье) за время накопления отражен-
ных сигналов приводят к возникновению фазовых флуктуаций на
синтезированной апертуре, что, в свою очередь, приводит к иска-
жению радиолокационных изображений надводных кораблей. Со-
гласно принципам формирования синтезированной апертуры, мак-
симальные искажения радиолокационных портретов надводных
кораблей будут наблюдаться при наибольших путях перемещения
их отражателей в плоскости, перпендикулярной плоскости движе-
ния космического аппарата, что соответствует максимальному углу
наклонения судна в процессе морского волнения. Параметры для
моделирования выбираются с учетом задач, решаемых РЛС.
На рис. 2.33 показана изменчивость РЛИ надводных кораблей
для БПК проекта 1134-6 (а-ё) и МПК проекта 1124-6 (ж-и) при
изменении разрешения РСА -5м (ряд 7), 15 м (ряд 2) и 35 м (ряд
5), ракурса наблюдения 283° (а-ё), 315° (г-е) и 270е (ж-и) при от-
сутствии качки (а, г, ж) и наличии боковой качки 10° на сторону (6
и 6) и 15° на сторону (# и е), а также при совместном воздействии
килевой качки и рысканья ±7°(з, и).
BSD НИМ
BBBBDH
DDDBBBQDn
ММ МММ UB о
а) б) в) г) д) е) ж) з) и)
Рисунок 2.33
151
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНО! О ПРОСТРАНСТВА
При ракурсах, близких к бортовым, боковая качка приводит не
к изменению линейного размера РЛИ надводных кораблей, а к пере-
мещению отметок от доминантных отражателей. Более заметны ис-
кажения РЛИ, вызванные боковой качкой при ракурсах надводных
кораблей, близких к 45, 135, 225 или 315°. Килевая качка и рысканье
при бортовых ракурсах приводят к деформации отметки от продоль-
ного размера надводного корабля - ее сжатию (до 30% от истинного
размера) или растяжению (в 1,7 раза). Ухудшение разрешения РСА
до 35 м приводит к резкой потере информации о характере РЛИ над-
водного корабля. При наблюдении надводного корабля в нос - корма
(на рисунке не приведена) искажения РЛИ значительно меньше -
бортовая качка практически не проявляется, а килевая и рысканье
приводят к повороту образа надводного корабля до ±5°.
Использование радиолокационной съемки надводных кораблей, нахо-
дящихся на рейде или на стоянках в ВМБ, полученной РСА высокого
разрешения, позволяет получить РЛИ надводного корабля, пригодные
для использования их при формировании банка эталонных изображе-
ния надводного корабля.
Для формирования банка эталонных изображений надводного ко-
рабля целесообразно «препарировать» материалы конкретных радио-
локационных съемок надводной обстановки и представить их в виде на-
бора точечных отражателей с использованием процедуры скелетизации.
Преимущество такого подхода состоит в возможности моделирова-
ния ожидаемых РЛИ надводного корабля для конкретных условий на-
блюдения и параметров РСА.
Для формирования банка эталонов, используемых в составе дейст-
вующей радиолокационной аппаратуры контроля надводной обстанов-
ки космического базирования, необходимо расширение исходных дан-
ных с целью набора статистики и уточнения изменчивости образа над-
водного корабля от ракурса.
Режим получения комплексных РЛИ надводного корабля по ло-
кальным районам земной поверхности (стоянки надводного корабля,
маршруты перехода и др.) с возможно большей детальностью (5...10 м)
должен быть предусмотрен при проектировании перспективных РСА.
Это же касается и возможности наращивания и модификации банка
классификационных признаков в процессе эксплуатации системы.
Для целей моделирования возможно также использование радио-
локационных снимков высокого разрешения (~6 м), полученных, на-
пример, с помощью TerraSAR-X [7, 23, 29]. При этом следует заказывать
КРЛИ маршрутного (или прожекторного) режимов. Поскольку АРЛИ,
полученные путем некогерентного накопления исходных АРЛИ про-
жекторного режима с разрешением порядка 1,5 м, для применения
152
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
рассмотренной ранее методики формирования радиолокационных
портретов надводного корабля с произвольной разрешающей способ-
ностью непригодны.
Объёмы информации, поступающей от средств дистанционного
зондирования Земли, растут стремительно. Для цифровой обработ-
ки поступающей радиолокационной информации необходимо при-
влечение больших вычислительных мощностей. Наращивание их
экстенсивным путем - построение многопроцессорных или кла-
стерных систем - накладывает дополнительные требования на
межпроцессорные и межкомпьютерные каналы связи, а также про-
граммное обеспечение. Это, в свою очередь, существенно увеличи-
вает стоимость таких систем.
Остро встает вопрос о более эффективном использовании доступ-
ных вычислительных ресурсов. Эту цель можно достичь посредст-
вом изменения алгоритмов вычислений с учетом используемой вы-
числительной архитектуры. В настоящее время увеличение вычис-
лительной мощности достигается в основном за счет увеличения
степени параллельности или с помощью центрального процессора
или с помощью процессора видеокарты. Видеокарта обеспечивает
большее количество параллельно работающих элементарных вы-
числителей и большую скорость работы динамической памяти, од-
нако при этом проигрывает центральному процессору за счет про-
стоты самих вычислителей, меньшей тактовой частоты и отсутст-
вия механизма кэширования оперативной памяти. А центральный
процессор обеспечивает параллельность за счет многоядерности и
использования SIMD-инструкций.
В этой связи рассмотрим пример оптимизации вычислений
применительно к центральному процессору общего назначения про-
изводства Intel архитектуры Sandy Bridge [14].
Большинство операций, возникающих при обработке цифро-
вых радиоголограмм (ЦРГ), может быть представлено в виде по-
следовательных вычислений по строкам или столбцам голограммы
153
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
во временной или частотной области [21]. При этом выполнение
последовательной обработки данных может быть оптимизировано
только за счет оптимизации элементарного вычисления (при усло-
вии, если оно занимает больше времени, чем обращение к динами-
ческому ОЗУ) или объединения нескольких операций в одну. Вы-
полнение последовательной обработки массива по строкам во вре-
менной области обеспечивает максимальное использование про-
пускной способности памяти и механизма кэширования. Для реа-
лизации последовательной обработки радиоголограммы по столб-
цам и/или обработки в частотной области, требуется выполнение
операций транспонирования матрицы и преобразования Фурье, оп-
тимизация которых рассматривается в данной работе.
При транспонировании матрицы возникает необходимость обращения к дан-
ным не только последовательно (по строке), но и с определенным шагом (по
столбцу), что приводит к значительным потерям времени, вызванным латент-
ностью динамического ОЗУ. При этом одним из основных показателей с точки
зрения оптимизации является максимальный размер элемента, сохраняющего
целостность при выполнении транспонирования. Тогда для алгоритма, выпол-
няющего транспонирование в одной области памяти (in-place), размер блока
памяти, к которому будет происходить обращение, равен размеру связного
элемента, а транспонирование в двух областях памяти можно оптимизировать
путем использования кэша до блоков памяти размера, равного среднему гео-
метрическому между размером кэша и размером связного элемента.
В свою очередь, алгоритм быстрого преобразования Фурье
требует множества проходов по всему массиву данных [14] в усло-
виях достаточно больших длин исходного массива- превышающих
размер кэш-памяти, что приводит к множеству дополнительных
обращений к динамическому ОЗУ. Попытки увеличить размер эле-
ментарного преобразования для снижения количества проходов
обусловливают необходимость обращаться к большому количеству
отдельных участков памяти, что, в свою очередь, вызывает про-
блемы, обусловленные ограниченной ассоциативностью кэш-
памяти разных уровней (включая кэш память TLB).
Вследствие этого перестают работать механизмы предвыбор-
ки данных для процессора и нарушается последовательность обра-
щения к памяти. Возникают дополнительные потери в связи с ла-
тентностью памяти. В результате возникает потребность в оптими-
зации алгоритмов транспонирования и БПФ с учетом особенностей
архитектуры современных компьютеров.
Для решения поставленной задачи воспользуемся стандартным
компьютером, оснащенным процессором IntelCR Соте1м i5-2500
(микро-архитектура Sandy Bridge, рис. 234). Данный процессор име-
ет 4 ядра, работающих на частоте 3,3 ГГц (при отключенной техно-
154
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
логии Turbo Boost), кэш-память 3-го уровня объемом 6 МБ в 12-ти
банках, общую для всех ядер, кэш-память 2-го уровня 256 кБ на ка-
ждое ядро и кэш-память 1-го уровня 32 кБ на каждое ядро [14].
/1 SMf<*
I
ДУХ rF Ш 4 fevx FF AC j
нгр.ваам i________________-
Sfjhedtiifcr
а I '
I ;
t2 Dau c^he mtcj
Load
. Ute »
£lore Addres* Store Addr<s4‘
Memory Control
4* ftyhr» «
32k U Data Cache
w
Рисунок 2.34
Каждое ядро процессора имеет 6 «портов» конвейеров выпол-
нения инструкций, позволяющих каждый такт ставить в очередь по
одной SIMD-инструкции умножения, сложения и перестановки, а
каждые 2 такта - по две инструкции, требующие загрузку данных
из кэша 1-го уровня и по одной, сохраняющей данные. Благодаря
достаточно гибкому механизму внеочередного исполнения инст-
рукций, достаточно обеспечивать доставку данных в кэш 1-го
уровня и соблюдать баланс инструкций для разных портов для дос-
тижения оптимальной скорости их выполнения.
Компьютер содержит четыре модуля памяти DDR3-1333, ра-
ботающих в двухканальном режиме. При этом предельная пропу-
скная способность памяти, без учета латентности и избыточности
кодирования, составляет 19,87 ГБА в одну сторону (на чтение или
запись). Архитектура процессоров х86 обеспечивает «страничный»
доступ к ОЗУ, размер страницы памяти в используемой системе со-
ставляет 4 кБ. Все механизмы предвыборки данных из ОЗУ рабо-
тают в пределах одной страницы памяти.
При этом использовались операционная система Microsoft
Windows 7^64, среда разработки Microsoft Visual Studio 2005 для
отладки и тестов скорости, а также компилятор Flat Assembler
v. 1.69.35 для разработки DLL-библиотеки с основными функциями.
155
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Алгоритм БПФ
Для эффективного использования быстродействия вычислителей
ядра и снижения нагрузки на шину оперативной памяти был разра-
ботан соответствующий алгоритм (рис. 2.35) для выполнения бы-
строго преобразования Фурье. В его основе лежат два принципа:
предопределенное использование кэш-памяти и одновременная об-
работка нескольких строк.
сору 512 кВ to LLC
(. start )
2k-point FFT
copy 16 кВ to
1-st level cache
256-point FFT
copy 16 кВ to LLC
copy 512 кВ
(2*64*64*641 to LLC
in-cache
bit reverse shuffle
with multipy
prefetch 2^ кВ
( foi j~l..2l‘~<>
copy 4 кВ to
1 -st level cache
64 point FFI
____________ fc . .M_И—> , ,
copy 512 кВ to DR AM
copy 4 кВ to LLC
copy 512 kF. to DRAM
Рисунок 2.35
Предопределенное использование кэш-памяти
Основная цель данного принципа - обеспечить расположение всех
данных, необходимых для выполнения 4-, 8-, 16-, 32-, 64-, 128- или
256-точечного преобразования Фурье в области кэша данных 1-го
уровня. При этом до 16 кБ кэш-памяти отводится непосредственно
под данные, а в оставшейся части располагаются коэффициенты
156
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Фурье, базовые и комплексно умноженные на поворотный коэф-
фициент текущей группы.
Для последней итерации, при которой данные изначально ле-
жат в памяти последовательно, перемещение данных в кэш-память
осуществляется специальными командами процессора PREFETCH.
Для первых итераций перемещение в кэш-память и обратно осуще-
ствляется копированием между основной областью данных и выде-
ленной областью памяти соответствующего размера при помощи
специальных команд процессора, препятствующих помещению в
кэш-память основной области данных [14].
Такое копирование необходимо потому, что процессор не может разместить в
кэше все копируемые данные основной области памяти из-за ассоциативности
кэша. В результате копирования множества несвязных областей памяти в одну
связную проблема ассоциативности решается.
При размере ячейки, отводимой на один элемент строки, рав-
ный 64 байт, кэш-память l-ro уровня позволяет расположить
28 элементов, оставив место для коэффициентов Фурье, а кэш-
память 3-го уровня (1,5 МБ на ядро) - 214 элементов. Однако опыт-
ным путем было установлено, что при использовании для разме-
щения данных более 1-го банка кэша на ядро производительность
снижается, поэтому использование 1 Мб кэша сохранено только
для строк длины 214, тогда как для всех остальных в области кэша
3-го уровня располагается только 2 элементов.
В целях снижения расходов на латентность динамического
ОЗУ на первом этапе кэш 3-го уровня сначала заполняется блоками
данных по 2 кБ (256 блоков), содержащих по 32 последовательных
элемента строки, после чего для каждого из 32 элементов осущест-
вляется копирование по одному элементу каждого блока из области
кэша 3-го уровня в область кэша l-ro уровня. Таким образом, уда-
ется обеспечить выполнение всех итераций БПФ (не считая двоич-
но-инверсной перестановки) для массивов длины 2k (15 < к < 21) с
двумя фактическими обращениями к динамическому ОЗУ. При
этом обмен данными между ОЗУ и кэш-памятью осуществляется
блоками не менее 2 кБ. Для массивов с 22 < к < 29 потребуется три
фактических обращения при сохранении основных принципов ал-
горитма, однако реализация программы для таких длин не рассмат-
ривалась.
Алгоритм выполнения двоично-инверсной перестановки раз-
работан также на основе этого принципа. Он обеспечивает пере-
становку, используя 0,5 МБ кэш-памяти, с одним фактическим об-
ращением к ОЗУ, оперируя блоками по 4 кБ. Более подробно дан-
ный алгоритм описан ниже.
157
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Одновременная обработка нескольких строк
При обработке радиоголограмм используются двумерные массивы
данных. Это позволяет ускорять общий процесс обработки не толь-
ко путем снижения временных затрат на одну операцию, но и обес-
печением одновременного выполнения одной и той же операции
для нескольких строк. В целях разгрузки конвейера, выполняющего
перестановки элементов, а также для увеличения размера мини-
мального неделимого элемента при вычислениях, была выбрана
схема представления данных в памяти, приведенная на рис. 2.36.
Рисунок 2.36
При использовании этой схемы данные в памяти сгруппиро-
ваны по 64 байт (8 комплексных элементов одинарной точности
или 4 комплексных элемента двойной точности). Каждая группа
представляет собой элементы разных строк, находяшиеся на одной
позиции в строке. Первые 32 байт содержат действительную часть,
вторые - мнимую. Для лучшей скорости выполнения начало мас-
сива должно быть выравнено по границе страницы памяти (адрес
должен быть кратен 4096). Такая организация данных позволяет
обеспечить одновременное выполнение БПФ для 8-ми строк оди-
нарной точности или 4-х строк двойной точности. Все SIMD-
инструкции AVX оперируют с 32-байтными операндами, которые
содержат действительную или мнимую часть. А целый элемент со-
ответствует размеру строки кэша, т.е. минимальному обьему дан-
ных, который участвует в обмене между кэшами разных уровней.
Дополнительно обработка нескольких строк сразу позволяет
сэкономить на расчетеусчитывании коэффициентов Фурье, так как
они совпадают для всех строк. Коды программ для двойной и оди-
нарной точности отличаются только непосредственно наименова-
нием ассемблерных SIMD команд, а все операнды сохраняются,
время выполнения остаётся неизменным, изменяется только коли-
чество одновременно обрабатываемых строк.
158
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Такое представление данных увеличивает размер максимального элемента, со-
храняющего связность при транспонировании, до 256 байт при использовании
двойной точности (подматрица 4x4) и до 512 байт при использовании одинар-
ной точности (подматрица 8x8), что благоприятно влияет на возможность оп-
тимизации операции транспонирования.
В разработанном программном обеспечении минимальная
операция, выполняющая 4-точечное преобразование Фурье, содер-
жит 60 инструкций, в том числе:
• 12 инструкций умножения (portO) для выполнения комплекс-
ного умножения;
• 22 инструкции сложения/вычитания (portl), в числе которых
16 для выполнения комплексного сложения/вычитания и 6 для
выполнения комплексного умножения;
• 10 инструкций перестановок (port2) для копирования коэффи-
циентов Фурье (в их числе 4 инструкции с чтением операнда);
• 12 инструкций с чтением операнда (port3, port4, по 2 такта), в
том числе 8 для чтения исходных данных и 4 для чтения и ко-
пирования коэффициентов Фурье;
• 8 инструкций записи (port5, по 2 такта) для сохранения ре-
зультата.
В ходе испытаний было выяснено, что в условиях заведомо достоверного пред-
сказания переходов и предварительно декодированных инструкций выполне-
ние данной операции занимает у ядра процессора чуть менее 25 тактов кон-
вейеров, а в более реальных условиях (выполнение 256-точечного преобразо-
вания путем двух циклов, вызывающих сброс конвейера) одна такая операция
занимает чуть менее 27 тактов при условии нахождения всех исходных данных
в кэше 1-го уровня. Это говорит об удачной сбалансированности команд в дан-
ном вычислении - абсолютный минимум определяется количеством команд
сложения - 22 такта [34]. При этом значительно уменьшить количество сложе-
ний путем увеличения размера минимального преобразования не удастся.
Для использования всех ядер процессора используется допол-
нительное увеличение количества одновременно обрабатываемых
строк. Таким образом, обеспечивается обработка 16 строк двойной
точности или 32 строк одинарной точности одновременно. Синхро-
низация потоков не производилась. Поскольку алгоритм условно
разделен на периоды копирования данных и периоды вычисления,
использование нескольких ядер позволяет одним ядрам заниматься
вычислением в то время, когда другие заняты копированием данных.
Двоично-инверсная перестановка
Максимальный элемент, сохраняющий целостность при данной
операции, составляет 64 байт - один элемент нескольких строк.
Для обеспечения связного обращения к памяти блоками по 4 кБ в
159
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
процессе двоично-инверсной перестановки основной цикл реализу-
ется по центральным битам номера элемента. Копирование произ-
водится только в том случае, если исходное значение центральных
битов лексикографически больше или равно инверсному значению
(при равенстве копирование однонаправленное, иначе двунаправ-
ленное). На каждой итерации основного цикла копируются ячейки
со всеми возможными значениями 6-ти младших и 6-ти старших
битов номера элемента. С учетом необходимости двунаправленно-
го копирования, это 64x64x2 элементов по 64 байт, или 512 кБ, что
вполне вмещается в область кэш-памяти 3-го уровня. При этом
обеспечивается обмен между двумя группами по 64 блока памяти
размером 4 кБ каждый.
В данной реализации процедуры двунаправленного копирова-
ния 6 бит адреса инвертируются при операции чтения из ОЗУ в
кэш, а оставшиеся 6 бит - при операции записи.
Цель этой реализации состоит в том, чтобы обеспечить последовательное обраще-
ние к памяти в пределах одной страницы и не перенагружать внутренний цикл
расчетами адреса (все расчеты адреса проводятся только в среднем цикле).
Порядок пересортировки битов адреса представлен на рис. 2.37.
При этом процедура копирования в другом направлении выполня-
ется абсолютно идентично, т.е. меняются адреса источника и при-
емника, а также старший (18-й) бит адреса области кэш-памяти.
Дополнительно в эту же функцию вставлена операция умножения
результата на константу, используемая при обратном БПФ.
Float
Source
String
number
Read Cycle
0
1
2
3
4
5
6
7
Position
Memoiy Page
Main
Cycle
Lvi 3 Cache
О 1 2 3 4 5 I
Memory Page
Element
0 1
Destination
Multiply
Рисунок 2.37
160
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Анализ результатов
Из описанных результатов следует, что при работе на 4-ядерном
процессоре в 4 потока удатось достичь одновременную обработку
16 строк двойной точности или 32 строки одинарной точности со
скоростью более 2,2 ГБ/с. Следует отметить, что по результатам
собственного теста библиотеки FFTW на той же архитектуре была
показана скорость 1,6 ГБ/с для чисел с двойной точностью и
1,3 ГБ/с для чисел с одинарной точностью. На рис. 2.38 приведена
зависимость скорости вычисления БПФ для строк длиной 221 эле-
ментов от числа вычислительных потоков.
Полученная скорость, с учетом трех обращений к ОЗУ на чте-
ние и запись, составляет 68% от теоретического максимума пропу-
скной способности памяти и 78% от реально достигаемого значе-
ния при тестах на последовательное копирование. Оставшиеся по-
тери можно отнести на счет излишней латентности ОЗУ,
вызываемой необходимостью переключения на другие области па-
мяти и считывания из ОЗУ дескрипторов страниц (оценочно по-
рядка 10%), а также неудачным наложением потоков друг на друга,
когда 3 и более ядер одновременно находятся в стадии вычислений
или копирования между кэш-памятью различных уровней.
Достигнутое преимущество проявляется особенно ярко только при больших
значениях длины строки, при этом являющихся степенью 2. Это обусловлено
тем, что в данном алгоритме требуются 3 обращения к оперативной памяти для
длины от 215 до 221, в то время как количество обращений к ОЗУ, необходимых
для библиотеки FFTW, постепенно сокращается, вплоть до одного при длине
строки 217.
Возможность обработки строки с большей длиной при одном
обращении к памяти достигается благодаря тому, что FFTW опери-
рует с одной строкой, а не с группой, что позволяет целиком по-
местить в кэш-память строку большей длины. Теоретически пред-
ложенный алгоритм допускает возможность адаптации под обра-
161
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
ботку одиночных строк, но такой способ расположения данных за-
труднит транспонирование, поэтому в данной работе не рассматри-
вался. Другим недостатком по сравнению с библиотекой FFTW яв-
ляется отсутствие реализации элементарных преобразований для
длин строки, кратных 3 или 5. Это может вызвать необходимость
выделения дополнительной памяти и ее использование в вычисле-
ниях при выполнении процедуры свертки.
В представленных материалах проведена оптимизация наиболее ресур-
созатратной операции - вычисления БПФ.
Установлено, что основным ограничивающим фактором при вы-
числении БПФ при использовании центрального процессора общего на-
значения является пропускная способность оперативной памяти.
Количество обращений к ОЗУ было минимизировано без значи-
тельных потерь на латентность памяти и скорость выполнения непо-
средственных вычислений.
В процессе исследования архитектуры определены ее достоинства
и узкие места, что позволяет предварительно оценивать скорость вы-
полнения тех или иных вычислений с приемлемой точностью до реали-
зации на компьютере.
Разработка и особенности использования
активного транспондера
для наземных и летных испытаний.
калибровки и валидации
космических РСА
Системный подход к разработке сложных радиотехнических ком-
плексов обусловил необходимость создания аппаратно-програм-
мных средств и универсальных методик, которые были бы приме-
нимы на всех этапах жизненного цикла РСА (при лабораторных
испытаниях макета, наземной отработке радиолокатора, летных
испытаниях и валидации), а также требует проверки и сравнения
результатов, получаемых на различных эгапах испытаний, на соот-
ветствие единому системному критерию [15].
В качестве такого аппаратно-программного средства предла-
гается активный транспондер, который представляет собой уст-
ройство для преобразования зондирующих сигналов РСА в имити-
рованные отражения данных сигналов от наземных обьектов и уча-
162
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
стков земной поверхности с заданными характеристиками обрат-
ного рассеяния, составляющих фоно-целевую обстановку требуе-
мой конфигурации, с учетом закона движения носителя (космичес-
кого или летательного аппарата) и параметров режима съемки.
Функцией активного транспондера как испытательного и калибровочного сред-
ства является формирование требуемых входных воздействий, подаваемых на
РСА, для измерения его сквозных характеристик. Входным воздействием в
данном случае является закон преобразования зондирующего сигнала в отра-
женный сигнал.
Характеристики РСА связаны с качеством радиолокационного
изображения, которое строится в соответствии со снимаемым объ-
ектом как полем коэффициента обратного рассеяния. К сквозным
характеристикам относятся, в первую очередь, пространственная
разрешающая способность, радиометрические характеристики
(разрешение, чувствительность, динамический диапазон) [21]. Для
проверки тех или иных характеристик РСА тестовый объект дол-
жен обладать теми свойствами, по которым проводится сравнение
полученного РЛИ с видом объекта съемки. Аппаратно-програм-
мные средства активного транспондера могут быть использованы
для имитации тестовых обьектов с необходимыми характеристика-
ми в случаях, когда трудно найти такие объекты в природе, по-
строить искусственно, а также провести калибровку имеющихся
природных радиомишеней с необходимой точностью [10].
Имеется ряд задач, связанных с летными испытаниями и внешней калибровкой
РСА, решение которых с помощью традиционных пассивных отражателей или
естественных целей затруднено или невозможно, однако достигается средст-
вами активного транспондера.
Задачи, связанные с летными испытаниями
Создание отражателя с большой ЭПР и равномерной диаграм-
мой рассеяния в широком диапазоне углов при небольших
собственных размерах, что необходимо, например для отра-
ботки бистатических РСА.
Селекция и формирование сигналов с требуемой поляризаци-
ей, в том числе с поляризацией возвращенной волны, отли-
чающейся от падающей.
• Регулировка имитируемой ЭПР.
• Имитация сложных целей.
Таким образом, активный транспондер является важным ин-
струментом для решения задач наземной отрабо тки и летных испы-
таний, а также калибровки и валидации.
163
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Варианты аппаратно-программной реализации
активного транспондера
Предполагается поэтапная (с усложнением схемотехнической
структуры и расширением функциональных возможностей)
аппаратная реализация активного транспондера.
Вариант 1. Активный транспондер с цифровой линией за-
держки, имеющий широконаправленную антенну, стабильный ка-
либрованный коэффициент усиления, достаточный для имитации-
точечной цели с большой ЭПР (70 дБ-м2 и более). Такой вариант
используется для измерения пространственного разрешения и ра-
диометрической калибровки РСА по точечной цели, а также поля-
риметрических характеристик. Одна из основных проблем аппарат-
ной реализации активного транспондера - необходимость точной
калибровки антенного и СВЧ-тракта для поддержания стабильного и
калиброванного (до 0,1 дБ) значения имитируемой ЭПР.
Вариант 2. Активный транспондер с цифровым сигнальным
процессором (ЦСП), позволяющий имитировать предварительно
сформированную модель произвольной фоно-целевой обстановки
без режима реального времени. Активный транспондер выполняет
запись зондирующего сигнала от РСА во время сеанса тестовой
съемки, преобразование записанного зондирующего сигнала в ими-
тированный отраженный сигнал в соответствии с заранее постро-
енной моделью фоно-целевой обстановки, режима съемки и закона
движения носителя, и воспроизведение имитируемого отраженного
сигнала с синхронизацией зондирующего сигнала во время сле-
дующего сеанса тестовой съемки с такими же параметрами.
Это позволяет выполнить подготовку данных имитируемого
отраженного сигнала для сложных режимов съемки, связанную с
большими объемами вычислений, при наличии ограниченных вы-
числительных средств, однако требует применения специальных
схемотехнических решений для обеспечения уточненной синхро-
низации от зондирующего сигнала и коррекции начальной фазы.
Разброс задержек запуска воспроизведения имитированного отраженного им-
пульса относительно приема зондирующего для всех импульсов в сеансе дол-
жен соответствовать флуктуации их начальной фазы на несущей частоте не
более 1 °, что на 2...3 порядка меньше периода дискретизации АЦП/ЦАП.
Возможность имитации произвольной ФЦО позволяет форми-
ровать испытательные воздействия для измерения радиометриче-
ских характеристик, соответствующих съемке поверхностно-
распределенных целей, а также для проверки функции вторичной
обработки РЛИ бортовыми средствами. Дополнительной возмож-
ностью такого активного транспондера является его применение
164
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
уже на этапе наземной отработки РСА (как комплекса в полном со-
ставе, так и его фрагмента или макета).
Вариант 3. Активный транспондер с цифровым сигнальным
процессором (ЦСП), позволяющий имитировать предварительно
сформированную модель произвольной ФЦО в режиме реального
времени.
Функции активного транспондера
в данной конфигурации
Запись ЗС от РСА во время сеанса тестовой съемки.
Преобразование каждого импульса записанного зондирующего
сигнала в импульс имитированного ОС в соответствии с зара-
нее построенной моделью ФЦО, режима съемки и закона дви-
жения носителя.
Воспроизведение имитируемого отраженного сигнала с про-
граммируемой задержкой относительно исходного зондирую-
щего сигнала.
Все три варианта функций активного транспондера имеют идентичную структуру
[11, 12], основными элементами которой являются устройство имитации и регист-
рации сигналов и компьютерная система формирования исходных данных.
Имитация отраженных сигналов
Алгоритм аппаратно-программной имитации
отраженных сигналов
Этап 1. Моделирование фоно-целевой обстановки как супер-
позиции двумерного поля ЭПР (УЭПР) в координатах наклонная
дальность - азимут и набора точечных целей с заданными ЭПР в
пространстве.
Этап 2. Коррекция модели фоно-целевой обстановки с уче-
том диаграммы направленности антенны для выбранного режима.
Этап 3. Расчет закона изменения параметров отраженного
сигнала для каждого элемента моделируемой фоно-целевой обста-
новки при движении носителя с учетом режима съемки.
Этап 4. Синтез закона преобразования зондирующего сигнала
в отраженный для каждого импульса в сеансе в виде импульсной
характеристики цифрового фильтра.
Этап 5. Запись реального зондирующего сигнала РСА.
Этап 6. Поимпульсное преобразование зондирующего сигна-
ла в имитированный отраженный.
Этап 7. Поимпульсное воспроизведение имитированного от-
раженного сигнала на несущей или промежуточной частоте с нор-
мированной задержкой относительно зондирующего сигнала и по-
дачу на вход приемной системы РСА.
165
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Структура алгоритма имитации отраженных сигналов [12]
приведена на рис. 2.39.
При моделировании фоно-целевой обстановки снимаемый
участок местности описывается двумерным полем комплексного
коэффициента обратного рассеяния:
где сг0 - удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) эле-
мента снимаемой поверхности; ф - сдвиг начальной фазы отра-
женного сигнала; х - азимут; г - наклонная дальность.
Например, статистически однородный фон для измерения ра-
диометрической разрешающей способности моделируется при усло-
виях: ст0 - постоянная в пределах участка; ф задается генератором
случайных чисел с равномерным распределением на [0, 2л). Размеры
имитируемого участка по азимуту (.х) и наклонной дальности (г) в
элементах разрешения соответствуют размерам матрицы s(x, г).
Число строк матрицы должно совпадать с числом зондирующих им-
пульсов в сеансе и соответствует числу элементов разрешения бу-
дущего РЛИ по азимуту. Шаг точек модели по наклонной дальности
Аг задается в соответствии с частотой дискретизации записываемо-
го зондирующего сигнала Г\ и определяется по формуле
Ar = c/(2Ffl).
Каждый импульс остаточного сигнала является суперпозици-
ей отражений импульса зондирующего сигнала от элементов уча-
стка. Преобразование зондирующего сигнала язс(х, г) в имити-
руемый остаточный сигнал выполняется в виде свертки
166
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
с применением предварительно рассчитанной импульсной характе-
ристики Лих (х, г) , которая зависит от закона движения носителя и
комплексного коэффициента рассеяния снимаемого объекта
s(x, г). Полученная матрица данных комплексной огибающей
имитированного остаточного сигнала загружается в память гене-
ратора сигналов произвольной формы, осуществляющий воспроиз-
ведение имитированного остаточного сигнала в виде модулирован-
ного сигнала на несущей или промежуточной частоте или в форме
пары модулирующих видеосигналов.
Аппаратная реализация стенда
Стенд полунатурного моделирования с устройства имитации и
регистрации сигналов на базе модульных приборов Agilent [6] был
усовершенствован (рис. 2.40) и использован для отработки методик
измерения сквозных характеристик на технологическом комплекте
бортового радиолокационного комплекса (БРЛК) космического РСА
«Кондор-Э» [22]. Схемы организации обмена радиолокационными и
синхронизирующими сигналами между с устройства имитации и
регистрации сигналов и БРЛК приведены на рис. 2.41 и 2.42.
Рисунок 2.40
167
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Формирование массива данных имитированного отраженного
сигнала выполняется путем обработки записи зондирующего сиг-
нала, полученной в предыдущем сеансе в этом же режиме
(рис. 2.41). Массив в форме матрицы загружается в генератор сиг-
налов произвольной формы и построчно воспроизводится с внеш-
ней синхронизацией по стробирующему импульсу, управляющему
запуском зондирующего сигнала РСА (рис. 2.42).
С использованием стенда проведены сеансы тестовой съемки имитированных то-
чечных, групповых и поверхностно-распределенных целей. Качество полученных
изображений соответствует расчетным сквозным характеристикам РСА.
168
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИС ТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Результаты эксперимента
Для отработки методики полунатурной имитации отраженных сиг-
налов использовались математические модели двух тестовых объек-
тов. Мира для определения пространственного разрешения (рис. 2.43)
содержит 9 точечных целей с одинаковыми ЭПР, образующих квадрат
([21], гл. 7), ориентированный под произвольным углом к трассе
спутника (во избежание наложения боковых лепестков РЛИ разных
точечных целей). Точечная цель 0, превышающая остальные по ЭПР
на 5 дБ, расположена с одной из сторон квадрата для определения
ориентации миры в координатах РЛИ.
100 ПО 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Рисунок 2.43
Фрагмент РЛИ, содержащий изображение 10-точечной миры,
для режима высокого разрешения приведен на рис. 2.44.
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Рисунок 2.44
169
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
На рис. 2.45 показано сечение РЛИ наиболее яркой точечной
цели (вынесенной за пределы квадрата) по дальности (функция от-
клика на ОТЦ по дальности в режиме высокого разрешения).
Модель миры для определения радиометрических характери-
стик (рис. 2.46,6?) содержит 16 прямоугольных участков с условны-
ми размерами 100x6000 дискретов (азимутхдальность), упорядо-
ченных по возрастанию УЭПР в направлении азимутальной оси.
Первый по счету участок, а также фон имеют нулевой (в абсолют-
ных единицах) коэффициент рассеяния; шаг возрастания УЭПР ос-
тальных участков, начиная со второго, в данном эксперименте вы-
бран равным 3 дБ. На рис. 2.46,6 приведен график сечения профиля
УЭПР миры в логарифмическом масштабе.
Рисунок 2.46
170
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Рисунок 2.47
Проверка проводилась для режима съемки с использованием
зондирующего ЛЧМ сигнала с базой 2000 при длигельности сеанса
2048 импульсов. На рис. 2.47 показано амплитудное РЛИ, синтези-
рованное по полученной радиоголограмме (а), и его усредненное се-
чение плоскостью азимут-уровень (б) - профиль усредненной ра-
диояркости, дБ.
Применение активного транспондера позволяет использовать единую
систему методик для наземных, летных и валидационных испытаний
РСА, а также применить единые критерии оценки показателей качества.
Предложенные методики дают возможность имитации входных
воздействий, соответствующих отражениям от точечных, групповых и
поверхностно-распределенных целей в соответствии с проверяемыми
режимами съемки.
Для проверки РСА, задача которых состоит в обнаружении и распо-
знавании типовых сложных целей на фоне неоднородных подстилаю-
щих поверхностей и передаче на землю результатов вторичной обра-
ботки РЛИ, возможно полунатурное моделирование заданной фоно-
целевой обстановки.
Аппаратно-программная имитация пространственно-распреде-
ленных целей с использованием активного транспондера позволяет из-
мерять радиометрические характеристики, в том числе радиометриче-
ское разрешение, на этапе летных и валидационных испытаний, а так-
же осуществлять периодическую радиометрическую калибровку РСА.
Активный транспондер может применяться для калибровки, контро-
ля работоспособности и диагностики состояния РСА при эксплуатации.
Для создания макетного образца активного транспондера могут быть
использованы покупные модульные приборы. Создание полнофункцио-
нального варианта активного транспондера требует специализированной
разработки его составных частей.
171
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Литература
1. Верба В.С., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Турук В.Э. Радиолокационные системы
землеобзора космического базирования / Под. ред. В.С. Вербы. М.: Радиотехника.
2010.
2. Верба В.С., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Пущинский С.Н., Турук В.Э. Способ распо-
знавания надводных кораблей на взволнованной морской поверхности / Патент на
изобретение № 2012113532. Дата регистрации приоритета 07.04.2010.
3. Витер В., Петровский В., Кучейко А. Космические аппараты радиолокационного наблю-
дения, созданные в «НПО машиностроения» // Новости космонавтики. 2001. № 3.
4. Град штейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.:
Наука. 1971.
5. Диккинс А.В., Иванов А.Ю., Карлин Л.Н., Неронский Л.Б. и др. Атлас аннотирован-
ных радиолокаионных изображений морской поверхности, полученных космиче-
ским аппаратом «Алмаз-1». М.: ГЕОС. 1999.
6. Дзенкевич А.В., Востров Э.А., Кошеваров Г.А. и др «ИМАРК» - многочастотный мно-
гополяризационный авиационный комплекс РСА" // III Междунар. конф, по авиаци-
онному дистанционному зондированию (июль 1997). Дания. С. 197-202.
7. 7.Интеллектуализация сложных систем // Информационно-измерительные и управ-
ляющие системы. 2009. Т. 7. № 3. С. 1-92.
8. Карпов О.А., Толстов Е.Ф., Филатов А.А. Идентификация движущихся целей в РСА и
пути ее решения методами статистического синтеза. Цифровая обработка сигналов.
Научно-методические материалы. М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 2003.
9. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дис-
танционного зондирования земли / Под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радиотехника.
2008.
10. Лепехина Т.А., Николаев В.И. Аппаратно-программная имитация и обработка циф-
ровых радиоголограмм при наземных испытаниях космических радиолокаторов с
синтезированной апертурой // Материалы V Всерос. научно-техн. конф. «Проблемы
разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (МЭС-2012). М.: ИППМ
РАН. 2012. С. 569-574.
11. Лепехина Т.А, Николаев В.И. Активная контрольная станция для задач валидации и
калибровки космического РСА // XXI Междунар. крымская конф. «СВЧ-техника и
телекоммукационные технологии» (КрыМиКо'2011). Материалы конф. Севастополь:
Вебер. 2011. С. 1063-1064.
12. Лепехина Т.А, Николаев В.И. Алгоритм цифровой имитации траекторных сигналов для
испытаний радиолокаторов с синтезированной апертурой высокого разрешения // XV
Междунар. конф. «Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSPA-2013». М.:
РНТОРЭС им. А.С. Попова. 2013. С. 418-422.
13. Лепехина Т.А, Николаев В.И. Аппаратно-программное обеспечение стенда полуна-
турного моделирования для наземных испытаний космических радиолокаторов с
синтезированной апертурой // Информационно-измерительные и управляющие сис-
темы. 2013. № 1. С. 53-60.
14. Лепехина Т.А, Николаев В.И., Семенов М.А., Толстов Е.Ф. Проблемы обработки
больших массивов цифровых радиоголлограмм космических РСА высокого разре-
шения// Радиотехника. 2013. № 1. С. 37-41.
15. Лепехина Т.А, Николаев В.И. Разработка и особенности использования активного
транспондера для наземных и летных испытаний, калибровки и валидации косми-
172
ГЛАВА 2. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
ческих РСА Ц Информационно-измерительные и управляющие системы. 2014. № 3.
Т. 12. С. 54-61.
16. Неронский Л.Б., Михайлов В.Ф., Брагин И.В. Микроволновая аппаратура дистанци-
онного зондирования Земли и атмосферы. Радиолокаторы с синтезированной апер-
турой антенны: Учебное пособие / СПбГУАП. СПб. 1999. Ч. 2. 220 с.
17. Неронский Л.Б., Пушков Д.В., Елизаветин И.В. Применение моделирования преоб-
разований сигналов в РСА для интерпретации данных ДЗЗ // 2-я Всеросс. конф.
СПб. Июнь 2004.
18. Неронский Л.Б., Верба В.С., Осипов И.Г., Лиханский С.Г., Пущинский С.Н., Турук
В.Э. Формирование точечных моделей объектов по комплексным РСА изображениям
// Сб. трудов НТК «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из
космоса». М.: ИКИ РАН. 2010. Вып. VII.
19. Неронский Л.Б. Перспективы совершенствования космических средств радиолока-
ционного наблюдения земной поверхности // Наукоемкие технологии. 2004. № 8-9.
С. 66-87.
20. Плющев В.А. Результаты разработки и направления развития многочастотных авиа-
ционных комплексов РСА// Наукоемкие технологии. 2004. № 8-9. С. 88-109.
21. Школьный Л.А., Толстов Е.Ф., Детков А.Н. и др. Радиолокационные системы воз-
душной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений / Под ред.
Л.А. Школьного. М.: изд. ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 2008. 531 с.
22. Рожнов А.В. Некоторые проблемные вопросы системной интеграции направлений
научной деятельности в задачах нейрокомпьютинга // Нейрокомпьютеры: разра-
ботка, применение. 2014. № 1. С. 3-9.
23. Собр. трудов академика А.Н. Крылова XI «Качка корабля». М.: Изд-во АН СССР. 1951.
24. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических сис-
тем: Учеб, пособие для вузов. М.: Радио и связь. 1991.
25. Толстов Е.Ф., Филатов А.А. Модель пространственно-временного сигнала, создавае-
мого движущейся точечной целью в РСА. НММ по цифровой обработке сигналов.
М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1995.
26. Ушакова Н.Н. Коррекция цифровых космических изображений на основе верифи-
цирующего моделирования. Канд. дисс. Белгородский государственный технологи-
ческий университет им. В.Г. Шухова. 2004.
27. Фомин Я.А., Тарловский Г.Р. Статистическая теория распознавания образов. М.: Ра-
дио и связь. 1986.
28. Хохлачёв Е.Н., Рожнов А.В., Алешкевич А.А., Орлов Г.Ю., Залетдинов А.В. Комплекс
моделей систем физической защиты на основе многоуровневого описания сложных
систем // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2009. № 12. С. 62-69.
29. Ширман Я.Д., Горшков С.А., Лещенко С.П., Братченко Г.Д., Орленко В.М. Методы
радиолокационного распознавания и их моделирование // Зарубежная радиоэлек-
троника. 1996. № 11.
30. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М.: Радио и связь.
1986.
31. Штагер Е.А. Вероятностные характеристики поля, отраженного от тел сложной
формы // В кн. «Современные проблемы распространения и рассеяния волн». М.:
ИРЭ АН СССР. 1979
32. Ярлыков М.С., Миронов М.А. Марковская теория оценивания случайных процессов.
М.: Радио и связь. 1993.
173
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
33. 3Instruction tables. Lists of instruction latencies, throughputs and microoperation
breakdowns for Intel, AMD and VIA CPUs. Agner Fog. Copenhagen University College of
Engineering. Copyright © 1996 - 2011.
34. Neronskiy L.B., Verba V.S., Lihansky S.G., PushkovD.V., Elizavetin I.V. Phenomenologi-
cal Approach to SAR Signal Processing Simulation. EUSAR2004.
35. Proseedings «EUSAR 2004» 5th European Conference on Synthetic Aperture Radar. May
25-27 2004. Germany.
174
Глава 3
Радиолокационные системы
с синтезированной
апертурой, формируемой
при вращении
фазового центра
реальной антенны
ЕВ^ ДеНИе >ЧЛЧ<<Ч.ЧЧ >•>.!. 1 1 t .<<>>. >1 . и ( I г ч > I Ч >* '* Ч '>* I 176
3.1. Анализ особенностей формирования и обработки
траекторного сигнала в РЛС
с синтезированием апертуры антенны
при вращении фазового центра реальной антенны . 177
3.2. Особенности синтезирования апертуры антенны
при вращении фазового центра реальной антенны
в режиме обзора «под собой» , ................ 185
3.3. Характеристика направленности
искусственной апертуры антенны и ее зависимость
от траектории перемещения фазового центра
реальное антенны.............................. 193
3.4. Синтезирование апер’уры антенны при учете
поступательного и вращательного Движений
фазового центра реальной антенны .............. 201
3.5. Эффективная синтезированная апертура антенны
при комбинированной траектории движения
фазового центра реальной антенны ............. 214
3.6. Интерферометрический режим бортовой РЛС
с синтезированием апертуры при вращении
фазового центра реальной антенны ............. 223
Литература ..,.............................. 231
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Введение g|
Известно [4, 5, 7, 8], что синтезирование апертуры антенны позво-
ляет обеспечить высокое разрешение радиолокационной системы
по путевой дальности (по азимуту).
Причем процесс формирования искусственной апертуры воз-
можен как прямым, так и образным способом. В первом случае дан-
ная апертура создается за счет когерентной обработки принимаемого
сигнала в процессе поступательного перемещения носителя РЛС от-
носительно цели, а во втором - за счет аналогичной обработки, но
при вращении самой цели. Однако возможно образование искусст-
венной апертуры вследствие как вращательного движения фазового
центра реальной антенны [10, 16], так и при комбинации вращатель-
ного и поступательного движения фазового центра [13].
В данной главе рассмотрены особенности формирования и об-
работки траекторного сигнала в РЛС с синтезированием апертуры
антенны как при вращении фазового цента реальной антенны, так и
при комбинации поступательного и вращательного его движений.
Показано, что вращательное движение фазового центра реаль-
ной антенны позволяет получать радиолокационное изображение
подстилающей поверхности в требуемом угловом направлении с
одинаковой разрешающей способностью по азимуту. При комби-
нации движения фазового центра реальной антенны существует
дополнительное приращение синтезированной апертуры по срав-
нению с процессом ее формирования только при поступательном
движении, которое зависит от времени когерентной обработки тра-
екторного сигнала.
Обращается внимание на преимущества, которые имеют место
при использовании как вращательного, так и комбинированного
движения ФЦА, а также на негативные факторы, присущие процес-
су синтезирования в этих условиях.
Кроме того, рассматривается возможность формирования
трехмерных изображений наблюдаемых объектов при синтезиро-
вании апертуры антенны при вращении фазового центра реальной
антенны.
176
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
3.1 Анализ особенностей формирования м абработки траекторногосигнала в РЛС с синтезированием апертуры антенны при вращении фазового центра реальной антенны
Предположим, что фазовый центр реальной антенны перемещается
по круговой траектории радиусом г с постоянной угловой скоро-
стью Q. Центр вращения совпадает с началом системы координат
OXY (рис. 3.1). Объект наблюдения представляет собой точечную
цель и находится от точки О на удалении в плоскости вращения.
Радиус вращения антенны много меньше что позволяет не учи-
тывать амплитудную модуляцию траекторного сигнала, обуслов-
ленную изменением дальности до точечной цели. Предположим,
что облучающая РЛС работает в непрерывном режиме излучения
на частоте fo, а диаграмма направленности реальной антенны - сла-
бонаправленная.
Информационной частью траекторного сигнала (сигнала, от-
раженного от точечной цели и воспринимаемого антенной) являет-
ся комплексная огибающая, которую в общем виде можно предста-
вить как
5(/) = t/G(0exp
£>(/) - <р0
(3.1)
где U - случайная амплитуда сигнала; G(Z) - функция, описываю-
щая модуляцию сигнала диаграммы направленности реальной ан-
тенны; Л - длина волны зондирующего колебания; D(t) - расстоя-
ние между фазовым центром антенны и точечной целью в момент
времени t; (р$ - случайная начальная фаза траекторного сигнала.
177
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
При дальнейшем изложении будем считать, что фазовые иска-
жения сигнала, обусловленные средой распространения радиоволны,
нестабильностью приемопередающего тракта и отклонениями фазо-
вого центра антенны от движения по окружности отсутствуют.
В общем случае закон изменения расстояния между фазового
центра антенны и объектом зондирования можно представить в виде
Z)(O = V(x - x(r))2 + Су - у (О)2, (3.2)
где x(t) и y(t) - текущие координаты фазового центра антенны;
х, у - координаты объекта зондирования.
При вращательном движении фазового центра антенны изме-
нения текущих координат x(t) и y(t) связаны с угловой скоростью
его вращения Q:
х(/) = —г cos(2^Qz) , y(t) = rsin(2^QZ) ,
поэтому изменение дальности до точечной цели описывает зависи-
мостью
D(t) = yj(x + r cos(2лО/))2 + (y-r sin(2я£1Г))2 . (3.3)
Из (3.3) видно, что функция, описывающая изменение дально-
сти до цели, является периодической, с периодом, равным времени
оборота фазового центра антенны вокруг оси вращения: Т = I/Q.
Изменение величины D(r)/r в процессе синтезирования апертуры
при вращении фазового центра антенны показано на рис. 3.2. При
построении зависимости D(t) были использованы относительные
величины D(t)!r^ x(f)/r, y(t)!r и t!T.
Рисунок 3.2
178
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Рассмотрим процесс синтезирования апертуры антенны при
ограничении времени когерентного накопления траекторного сиг-
нала в пределах одного оборота фазового центра реальной антенны,
т.е. ТС=Т.
В соответствии с выражениями (3.1) и (3.3) комплексную ам-
плитуду траекторного сигнала при вращении фазового центра ан-
тенны можно записать в виде
S(f)=Uexp -i y](x + r cos(2^QZ))2 + (у - г sin(2^QZ))2 . (3.4)
V Л )
При написании (3.4) случайная фаза фо полагалась равной нулю.
Основным физическим эффектом, на котором строится процесс синтезирования,
является эффект Доплера. Доплеровское смещение частоты траекторного сигна-
ла, отраженного от точечной цели, однозначно определяется радиальной состав-
ляющей полного вектора скорости движения фазового центра антенны относи-
тельно объекта наблюдения.
При синтезировании апертуры в плоскости чертежа доплеров-
ский сдвиг частоты описывается выражением
2Гп 2V
fun =---~ =----COS/,
дп 2 2
(3-5)
где VR - радиальная скорость движения фазового центра антенны;
/ - угол между линией визирования «фазового центра антенны
цель» и вектором V (рис. 3.3).
При вращении фазового центра угол у изменяется от - утах до
Утах (рис. 3.3), причем величина утах, учитывая, что г«£>о, может
быть определена из соотношения
Y max
(3.6)
179
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
В свою очередь, радиальная составляющая полного вектора
скорости фазового центра антенны может быть определена как
т_ , ч dD(t) _
VR(/) =--— , поэтому, с учетом (3.3), можно записать
dt
W) =
-2л£2г(у cos(2tzT1/ ) + xsin(2;zfl/))
Z)(/)
(3.7)
Из (3.7) видно, что изменение радиальной скорости также
имеет периодический характер, следовательно, периодический ха-
рактер будет носить и изменение доплеровского смещения частоты
сигнала, отраженного от точечный центр. Характер изменения ра-
диальной составляющей полного вектора скорости в процессе син-
тезирования апертуры при вращении фазового центра антенны по-
казан на рис. 3.4.
Разность значений доплеровских смещений частот, соответст-
вующих значениям углов у = -утах и У = /тах > определяет девиа-
цию частоты траекторного сигнала. Учитывая, что дальность до
точечной цели много больше радиуса вращения и опираясь на (3.6),
угол визирования цели можно считать малым, поэтому девиацию
частоты принимаемого траекторного сигнала при вращении фазо-
вого центра антенны можно определить из выражения
= (8лОг)/Л . (3.8)
Как видно из (3.8), девиация частоты является линейной
функцией радиуса и частоты вращения фазового центра антенны.
Из выражения (3.8) и рис. 3.4 видно, что (в отличие от процесса синтезирования
апертуры антенны при прямолинейной траектории движения фазового центра
антенны, когда имеет место линейная зависимость частоты траекторного сигнала
от времени) при вращении фазового центра антенны возникает нелинейная (то-
нальная) модуляция частоты траекторного сигнала от времени.
Рисунок 3.4
180
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Процедура формирования опорной функции для оптимальной
обработки траекторного сигнала в процессе синтезирования при
вращении ФЦ антенны будет существенно отличаться от аналогич-
ной при его прямолинейном движении.
Известно [4, 15], что при оптимальной обработке траекторного
сигнала в процессе синтезирования апертуры необходимо согласо-
вать параметры опорной функции с параметрами данного сигнала, а
именно: опорная функция должна совпадать с обрабатываемым тра-
екторным сигналом с точностью до постоянного множителя, но
иметь противоположную фазу. Если не учитывать воздействие внут-
ренних шумов и фона на сигнал, отраженный от точечной цели, то
U вых в процессе синтезирования апертуры антенны будет представ-
лять функцию неопределенности траекторного сигнала [7]:
^вых(^^) =
Т , __________ ____________________ X
= JtxoexpLy (Vxo2+яо2 - Jwo - ^)2+mo - ^)2) U (з .9)
0
где dx,dy- координаты соседней точки пространства.
Однако с учетом сделанных предположений можно упростить
выражение (9): так как целью исследования является рассмотрение
потенциальных возможностей по разрешению в азимутальной
плоскости, то можно полагать, что dy = 0. Предположим, что фор-
мируемая синтезированная апертура обеспечивает линейное раз-
решение по азимуту меньшее, чем изменение расстояния от фазо-
вого центра антенны до объекта зондирования при вращении фазо-
вого центра антенны, тогда dx « \]х(0)2 + у(0)2 .
При таких малых изменениях расстояния в слабонаправлен-
ной реальной антенне изменением амплитуды траекторного сигна-
ла можно пренебречь и не учитывать сомножитель G(t) при анализе
функции неопределенности. Поэтому перейдем к нормированной
ФН траекторного сигнала:
т
ц,ых(^) = ]ехр
о
-у/(dx - г cos(2tzQ/))2 + (y-r sin(2лГ1/))2)) dt. (3.10)
Одновременно с [7ВЫХ функция неопределенности (3.10) тра-
екторного сигнала, полученного при вращении фазового центра ан-
тенны, рассмотрим (7ВЫХ при поступательном перемещении функ-
j—(д/(гсо8(2лО/))2 + (у - rsin(2^fi/))2 -
181
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
ция неопределенности вдоль траектории носителя РЛС (рис. 3.5).
Путь синтезирования в обоих случаях одинаков и равен Lc = 2г.
Получаемые сечения функция неопределенности вдоль координаты
х для данных ситуаций приведены на рис. 3.6.
Сравнительный анализ 17вых оптимальной системы обработки
при синтезировании апертуры при прямолинейном и вращательном
движении ФЦ реальной антенны показывает, что:
автокорреляционная функция траекторного сигнала при вра-
щательном движении фазового центра имеет более высокий уровень
первых боковых лепестков (примерно 40% от максимума), в то вре-
мя как при прямолинейном движении антенны - 21%.
ширина основного пика автокорреляционной функции траек-
торного сигнала в случае линейного движения фазового центра ан-
тенны больше примерно в 1,37 раза, чем для траекторного сигнала
при вращении фазового центра антенны.
При одинаковых остальных условиях ширина синтезированной диаграммы на-
правленности при круговом вращении фазового центра реальной антенны
меньше, чем при линейной траектории.
Рисунок 3.6
182
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
При поступательном перемещении фазового центра комплекс-
ная огибающая отклика оптимальной системы описывается выра-
жением (3.11) и представляет собой функцию sin(x)/х :
А)/2
IC(*) = 4- [ exp(i24A/))rf/) = slnWA) (3.11)
A A**
При вращательном движении фазового центра реальной ан-
тенны огибающая описывается выражением (3.12) и представляет
собой функцию Бесселя 1-го рода нулевого порядка:
Jc(dfc) = — f exp(i2A:6/xsin(^))(7/? = J^lkf^dx). (3.12)
А -Л'2
Характер изменения данных функций приведен на рис. 3.7.
Разрешающая способность радиолокационной системы с синтези-
рованием апертуры (РСА) определяется по выходному отклику оп-
тимальной системы обработки траекторного сигнала, рассматри-
ваемому на уровне 0,7, который определяется основным лепестком
(первыми лепестками рассматриваемых функций). Ширина же пер-
вых лепестков у функций sin(x)/x и Jq(x) разная. Величина данного
различия может быть определена из отношения
ЛА. = ,
где 7 , aJ’7 - протяженность первых лепестков функций sin(x)/x
и Jq(x) соответственно на уровне 0,7.
Опираясь на рис. 3.7 и выражения для функций sin(x)/x и Jq(x),
получаем
Дх =л/2,3. (3.13)
В результате получаем, что ширина отклика оптимальной сис-
темы обработки при вращательном движении фазового центра ан-
тенны реальной антенны и малых угловых размеров синтезирван-
ной апертуры определяется выражением
(3.14)
Л л 4г
Анализ выражения (3.14) показывает, что, как и при поступа-
тельном перемещении фазового центра реальной антенны, потенци-
альная линейная разрешающая способность РСА по азимуту при вра-
щении фазового центра антенны, зависит только от углового размера
синтезируемой апертуры /3$ и дальности до объекта локации. Однако
183
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
при одинаковом угловом размере Д и дальности Dq до точечного объ-
екта при вращении фазового центра антенны обеспечивается мень-
2 3
шее значение величины дх, равное -2—<5хл, где Зхд - линейное раз-
я
решение при поступательном движении фазового центра.
Рисунок 3.7
Повышение разрешающей способности при одинаковых остальных условиях
приведет к увеличению дальности действия РСА в режиме обнаружения и
улучшению качества формируемого радиолокационного изображения. Однако
наличие мощных первых боковых лепестков у функции неопределенности тра-
екторного сигнала негативно скажется на процессе разрешения близкораспо-
ложенных целей.
Необходимо заметить, что для РСА, использующей прямоли-
нейное движение фазового центра антенны, наблюдалась зависи-
мость линейной разрешающей способности по азимуту от угла ус-
тановки главного луча диаграммы напраленности реальной антен-
ны [1]. Наилучшее разрешение обеспечивалось при угле, равном
90°. При уменьшении угла визирования разрешающая способность
ухудшалась пропорционально синусу данного угла при фиксиро-
ванном угловом размере апертуры [4]. Такой характер зависимости
разрешающей способности от угла наблюдения не позволял осуще-
ствлять получение высокодетальных изображений местности в пе-
реднем секторе, меньшем ±15°, относительно продольной оси лета-
тельного аппарата.
При вращательном движении фазового центра антенны угловой размер синте-
зируемой апертуры не зависит от угла визирования, что позволяет получать
радиолокационные изображения с одинаковой детальностью в любом угловом
направлении.
184
ГЛАВА 3 РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
При вращении фазового центра антенны возникает тональная частот-
ная модуляция траекторного сигнала, приводящая к расширению его
спектра по сравнению со случаем прямолинейного движения фазово-
го центра, и, как следствие, к сужению выходного отклика системы
обработки на одиночную цель.
Одновременно возрастает уровень боковых лепестков, что за-
трудняет процесс разрешения близкорасположенных целей.
Важным достоинством синтезирования при вращении фазового
центра реальной антенны является возможность получения высокоде-
тального радиолокационного изображения в любом желаемом секто-
ре наблюдения относительно оси вращения.
Особенности синтезирования
апертуры антенны
3.2 при вращении фазового центра
реальной антенны
в режиме обзора «- под собой»
Возможности по пространственной селекции радиолокационной сис-
темы с синтезированной апертурой (РСА), как и обычной РЛС, оп-
ределяются разрешающем способностью по дальности 8г и линейной
разрешающей способностью по угловой координате (азимуту) 81.
Оценивание разрешающей способности обычно производят, опираясь
на критерий Рэлея, несмотря на то, что сигналы и шумы РСА носят
случайный характер.
На практике использование вероятностных характеристик для
оценки разрешения крайне неудобно, поскольку на разрешение
влияет большое число параметров объектов наблюдения, сигналов и
шумов, статистические сведения о которых обычно отсутствуют [5].
Возможности по разрешению в РСА определяются параметра-
ми траекторного сигнала, а разрешение, в соответствии с критерием
Рэлея, определяется по функции рассогласования траекторного сиг-
нала точечной цели и опорного сигнала на выходе согласованной
системы обработки
Л Д/) = pr (х) * s*T (х, Д/)б/х, (3.15)
X
где ST (х) - пространственно-временной сигнал РСА. рассматривае-
мый как функция вектора х = {х, у, z, t}; X - область, в которой за-
185
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
дан и анализируется (обрабатывается) сигнал ST (х) ; {х. у, z, t} - век-
тор аргументов пространственно-временного сигнала РСА; Ду - сме-
щение опорного сигнала по координате у относительно параметра
сигнала у0; s*r (х, А/) - комплексно-сопряженный опорный сигнал.
При оценке потенциальной разрешающей способности, как
правило, не учитывают влияние фона и внутренних шумов прием-
ника. С учетом данных замечаний выходной отклик на сигнал, от-
раженный от точечной цели в процессе синтезирования апертуры
антенны, по аналогии с (3.9), представляет собой функцию неопре-
деленности траекторного сигнала:
J(dx,dy,dz) = Jc?(z)
о
+ г(02
(7хо2+яо2
(3.16)
где dx, dy, dz - координаты соседней точки пространства; G(f)
функция, описывающая амплитудную модуляцию траекторного
сигнала диаграммой направленности реальной антенны: Т - дли-
тельность интервала когерентного накопления сигнала.
Как отмечалось ранее, разрешающая способность определяет-
ся длительностью выходного отклика опт имальной системы обра-
ботки по оцениваемой координате (протяженностью сечения тела
неопределенности траекторного сигнала РСА) на выбранном уров-
не. Причем основным фактором, влияющим на разрешающую спо-
собность РСА, является размер базы траекторного сигнала (искус-
ственной апертуры). Известно [8], что линейный размер элемента
разрешения РСА по путевой дальности пропорционален угловому
размеру синтезированной апертуры и зависит от дальности до на-
блюдаемой поверхности:
где Л - длина волны РСА; D - наклонная дальность до элемента
разрешения; X- - угловой размер синтезированной апертуры.
Оценим возможности разрешения РСА при вращении фазового
центра антенны в режиме наблюдения «под собой». Как и ранее (см.
п. 3.1), будем считать, что ФЦА движется по окружности радиусом г,
но плоскость вращения находится относительно поверхности земли на
высоте //(рис. 3.8). Причем точечная цель удалена удалена ог плоско-
сти врашепия на расстояние Do и располагается на прямой ОО\ про-
186
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ....
ходящей через центр вращения фазового центра (точка О') и его про-
екцию на горизонтальную поверхность земли. Предположим, что ко-
герентное накопление сигнала, отраженного от точечной цели осуще-
ствляется за один оборот ФЦА вокруг оси его вращения.
Для простоты будем полагать, что ФЦА движется строго по
окружности с постоянной угловой скоростью Q плоскости O'XY
(рис. 3.8,6?), которая параллельна неподвижной системе координат
OXY. Объект наблюдения находится в начале неподвижной систе-
мы координат OXYZ, ось OZ которой проходит центр вращения
ФЦА (точкаО') (рис. 3.8, б). Радиус вращения г считается много
меньшим высоты Н подвеса ФЦА (рис. 3.8, в), что позволяет не
учитывать амплитудную модуляцию траекторного сигнала, обу-
словленную изменением дальности до точечной цели. Будем, как и
ранее, полагать, что облучающая РЛС работает в непрерывном ре-
жиме излучения на частоте Уо, а диаграмма направленности реаль-
ной антенны - слабонаправленная.
Рисунок 3.8
187
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Оценим потенциальную разрешающую способность РСА для
данных условий, опираясь на функцию неопределенности траек-
торного сигнала, формируемого при вращении ФЦА.
Основным носителем информации в траекторном сигнале
(см. п. 3.1) является его комплексная огибающая, которую можно
представить в виде (3.1). Учитывая вышеизложенные условия на-
блюдения точечной цели в режиме «под собой», а также характери-
стики реальной антенны РСА, комплексную огибающую (3.1) мож-
но представить как
S(z) = t/expf-z^7r2 + Я2
(3-17)
С целью упрощения анализа начальную фазу траекторного
сигнала будем считать равной нулю.
Особенности при синтезировании апертуры антенны
в режиме «под собой»
• Расстояние между ФЦА и точечной целью в процессе синтези-
рования остается неизменным.
• Огибающая S{t) является функцией высоты расположения фа-
зовой цели реальной антенны относительно исследуемой по-
верхности.
С учетом (3.16) и (3.17) выражение, аналитическое для функ-
ции неопределенности траекторного сигнала при вращении ФЦА,
можно записать в виде
J(dx} -
т ,
- lexp j—(V(rcos(2^0)2 +(rsin(27zfl/))2 + Н2 - (3.18)
J \. Л
о
-д/(б&-гсо5(2лО/))2 + (<7v-rsin(2^Q/))2 + Н2\ dt.
Тело неопределенности и диаграмма неопределенности, соот-
ветствующие (3.18), приведены на рис. 3.9 и 3.10.
Из анализа (3.18) следует, что в режиме обзора сгрого «под
собой» синтезируемая апертура имеет одинаковый угловой размер
как по путевой дальности (азимуту), так и по радиальной дально-
сти. Поскольку РСА обычно используется для получения радиоло-
кационного излучения земной поверхности, то, в первую очередь,
найдем потенциальную разрешающую способность РСА по ради-
альной и путевой дальностям, полагая dz = 0.
188
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Л
Рисунок 3.9
Рисунок 3.10
Для этого рассмотрим вертикальные сечения тела неопреде-
ленности вдоль осей путевой и радиальной дальности dx и dy, ко-
торые приведены на рис. 3.11.
Из сравнения сечений видно, что длительность выходных от-
кликов по ортогональным осям (путевая и радиальная дальность),
взятых на одинаковых уровнях, одинакова. Следовательно, одина-
ковыми оказываются разрешающие способности по азимуту и
дальности, которые могут быть оценены как
6 Аз = 8R =
2,3/17?
189
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 3.11
Особенности сечений TH траекторного сигнала
• Уровень боковых лепестков составляет примерно 40% от мак-
симального значения, что приведет к ухудшению контрастно-
сти получаемого радиолокационного изображения.
• Ширина сечения меньше, чем при прямолинейной траектории
движения ФЦА при одинаковых угловых размерах синтези-
руемой апертуры [10].
Рассмотрим влияние на вид тела неопределенности траектор-
ного сигнала изменения положения точечной цели. Будем считать,
что точечная цель смещается вдоль оси Y. Смещение цели приведет
к изменению угла ее визирования и к увеличению дальности до
нее. Поскольку сечения функции неопределенности траекторного
сигнала строятся в угловых координатах, то изменение дальности
не будет влиять на ширину сечения. На рис. 3.12 изображены соот-
ветственно результаты трансформации диаграмм неопределенности
траекторного сигнала (рис. 3.12, а) и сечений тела неопределенно-
сти по радиальной (рис. 3.12, б) и тангенциальной (рис. 3.12, г?)
дальностям при смещении цели но оси Y на величину, равную по-
ловине высоты подвеса.
Из проведенных рисунков следует, что происходит изменение
тела неопределенности по оси X (расширение области высокой кор-
реляции и боковых лепестков). По координате Yтрансформация из-
менения тела не происходит, что говорит о постоянстве разрешения
по азимуту. Это объясняется постоянным угловым размером синте-
зированной апертуры при любом положении цели относительно
центра вращения фазового центра антенны.
190
ГЛАВА 3 РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ. ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Азимут
Дальность
Рисунок 3.12
Из-за осесимметричной формы синтезируемого апертурного
раскрыва при постоянной величине смещения направление смеще-
ния не играет роли. При этом происходит разворот системы коорди-
нат «радиальная дальность - путевая дальность», но разрешение ос-
тается неизменным.
На рис. 3.13 приведены диаграммы неопределенности
(рис. 3.13, а) и дано сечение тела неопределенности траекторного
сигнала по радиальной дальности (рис. 3.13. б) при смещении цели
вдоль оси У, равном высоте подвеса.
Из рисунков видно, что при увеличении угла визирования це-
ли происходит дальнейшее ухудшение разрешения по радиальной
дальности.
191
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 3.13
Рисунок 3.14
Из анализа проведенных результатов следует, что разрешаю-
щая способность РЛС по радиальной дальности может быть опре-
делена из выражения
8R = ——= 2,3 , (3.19)
4лт cos2 (j/) 4лг cos3 (j/)
где у/ - угол визирования цели; 2- длина волны РЛС; г - радиус
вращения ФЦА
192
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ. ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Изменения показателя разрешающей способности по радиаль-
ной дальности в зависимости от угла визирования цели приведены
на рис. 3.14. При этом высота подвеса ФЦА полагалась неизмен-
ной, а отношения длины волны к радиусу вращения фазового цен-
тра реальной антенны рассматривались равными 0.02; 0,01; 0,005
соответственно.
Из графиков, приведенных на рис. 3.14, следует, что разрешаю-
щая способность при увеличении угла визирования падает, однако при
углах визирования менее 40° данное падение происходит медленно.
Переход от одномерных синтезированных апертур к двумерным по-
зволяет обеспечивать высокое разрешение не только по азимуту, но и
по радиальной дальности без применения специальных видов зонди-
рующих сигналов.
При удалении точечной цели от начала координат происходит
ухудшение разрешающей способности по радиальной дальности, что
обусловлено уменьшением углового размера синтезированной апер-
туры в соответствующей плоскости.
Смещение объекта зондирования по азимутальной координате
при этом не приведет к ухудшению потенциальной разрешающей спо-
собности по тангенциальной дальности, при условии, что ширина диа-
грамма направленности реальной антенны одинакова в вертикальной
и горизонтальной плоскостях.
Процесс синтезирования апертуры, имеющий место при когерент-
ном накоплении траекторного сигнала в процессе перемещения
фазового центра реальной антенны по определенной траектории,
можно рассматривать с позиций теории антенн [5]. В частности,
при импульсном режиме излучения и прямолинейном движении
носителя РЛС за счет когерентной обработки траекторного сигнала
формируется искусственная антенная решетка, протяженность
которой зависит от скорости перемещения фазового центра
193
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
реальной антенны и длительности интервала когерентного накоп-
ления траекторного сигнала.
Форма синтезированной антенной решетки определяется траек-
торией перемещения фазового центра реальной антенны в простран-
стве. Как известно [5], за счет синтезирования апертуры можно обес-
печить высокое разрешение по всем пространственным координатам.
Однако для этого необходимо обеспечить перемещение фазового
центра реальной антенны в двух взаимосвязанных плоскостях и
когерентную обработку получаемого траекторного сигнала.
В процессе синтезирования траектория фазового центра реальной антенны
может отличаться от линейной, что приводит к нелинейному закону изменения
доплеровского смещения частоты траекторного сигнала [10].
С точки зрения спектральной теории сигналов нелинейность
частотной модуляции приводит к расширению спектра сигнала, а
это, в свою очередь, повышает разрешающую способность РЛС по
дальности. Если отталкиваться от принципа пространственно-
временной эквивалентности [6], то появление нелинейной час-
тотной модуляции траекторного сигнала при перемещении фазо-
вого центра реальной антенны по траектории, отличной от прямо-
линейной, должно приводить к повышению направленных свойств
синтезированной апертуры, от которых зависит разрешающая
способность РСА по азимуту.
В этой связи проведем анализ взаимозависимости харак-
теристик направленности синтезированных антенн при различных
траекториях перемещения фазового центра реальной антенны,
опираясь на теорию линейных фазированных антенных решеток
[14]. Основное внимание при этом будем обращать на антенные
решетки двух типов - линейную и кольцевую.
Как известно [14], основной характеристикой направленности
любой антенной системы является зависимость амплитуды поля
излучения от направления в пространстве. Графическое представ-
ление характеристики направленности обычно называют диаграм-
мой направленности антенной системы.
Для линейной эквидистантной антенной решетки харак-
теристика направленности может быть представлена в виде [14]
У/2
-У/2
^sin(^) dy
(3.20)
5
где 1(у) - амплитудное распределение поля в раскрыве антенны
вдоль оси у; А - длина волны; Y - максимальная протяженность
апертуры антенны по оси у; А- нормирующий множитель.
194
ГЛАВА 3 РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
При равномерном распределении поля в раскрыве антенной
решетки (/(у) = const), в соответствии с (3.20), ее диаграмма
направленности будет описываться функцией sin(x)/x. Графичес-
кая иллюстрация данной диаграммы для линейной АР при соот-
ношении размера апертуры к длине волны, равном 10:1, приведена
на рис. 3.15.
Рисунок 3.15
Для синтезированных антенных решеток характеристика
направленности может быть описана аналогично (3.20), но за счет
двойного прохождения радиоволной расстояния носитель - цель в
показателе экспоненты необходимо учесть коэффициент 2:
У/2
Атт
-i—
jysin(^) dy.
-Nil
При формировании искусственной апертуры антенны за счет вращения ФЦА
синтезированная антенная решетка имеет вид дуги окружности с радиусом, со-
ответствующим радиусу вращения ФЦА.
Непосредс гвенный расчет характеристик направленности
кольцевых ФАР - довольно сложная задача, однако провести
опенку характеристики направленности таких АР можно, опираясь
на упрощенный расчет, который проводится при следующих до-
пущениях [14].
• В пределах излучающего участка кольцевая антенная решетка с
дискретными излучателями заменяется такой же с непрерывным
распределением тока /(у), равным реальному амплитудному
распределению в точках размещения излучателей, и с достаточно
гладким распределением тока между этими точками.
195
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Парциальная диаграмма направленности излучателя и ампли-
тудное распределение на излучающем участке аппроксими-
руются элементарными функциями.
В соответствии со сделанными допущениями диаграмма
направленности кольцевой антенной решетки в плоскости дуги
окружности можно представить в виде
Р
FK(<p) = A j/(«)Fa(<p)x
-Р
хехр -i—7?(cos(^)-cos(^-cr)) da,
(3.21)
где Fa (ф) - диаграмма направленности в азимутальной плоскости
отдельного излучателя с координатой а.
Для вычисления диаграмма направленности в соответствии с
(3.21) часто используется метод эквивалентного линейного излу-
чателя. Суть метода заключается в том, что диаграмма направлен-
ности кольцевой антенны рассчитывают как ДН синфазной линей-
ной антенны, у которой амплитудное распределение соответствует
проекции амплитудного распределения по кольцу (в пределах
излучающего участка) на линейную антенну длиной /экв (рис. 3.16),
расположенную перпендикулярно направлению формируемого луча.
Рисунок 3.16
196
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
При переходе к эквивалентной линейной антенне амплитудное
распределение имеет вид
4kbW=7| arcsinfe
На рис. 3.17 приведена графическая иллюстрация амплитудного
распределения в раскрыве эквивалентной линейной антенной решет-
ки. Из рисунка видно, что распределение поля в раскрыве антенной
решетки неравномерно. В центральной части амплитуда распределе-
ния примерно постоянна. По мере продвижения к периферии она
начинает нарастать и резко увеличивается к краям апертуры.
2 2
С учетом распределения (3.22) диаграмма направленности
кольцевой антенной решетки в азимутальной плоскости имеет вид
У1
F{cp) = A рэкв(у)ехр
J’sin(p) dy,
(3.23)
где = 7?sin(/?); J3 - половина углового размера излучающего
участка кольцевой решетки.
На рис. 3.18 приведена диаграмма направленности кольцевой
антенной решетки, построенной в соответствии с (3.23), для
излучающего участка, равного половине дуги окружности
(сплошная линия), и диаграмма направленности линейного
раскрыва аналогичной протяженности (пунктирная линия).
197
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 3.18
Сравнивая диаграммы направленности антенных решеток,
приведенных на рис. 3.18, можно сделать следующие выводы.
Изменение амплитудного распределения в раскрыве апертуры антенны вследст-
вие изменения формы решетки трансформирует ее диаграмму направленности.
В частности, как видно из рис. 3.17 и 3.18, при амплитудном
распределении, возрастающем к краям апертуры, происходит
сужение главного лепестка диаграммы направленности и увеличение
уровня боковых лепестков.
Аналогичная ситуация возникает и при рассмотрении
синтезированных антенн, формируемых при различных траекториях
перемещения ФЦА. Так, в [10] показано, что при формировании
синтезированной апертуры за счет вращения ФЦА происходит
сужение ее главного лепестка при возрастании уровня боковых
лепестков по сравнению с синтезированной апертурой при линейном
перемещении ФЦА.
В то же время, в [5] утверждается, что изменение траектории
перемещения фазового центра реальной антенны не влияет на
направленные свойства синтезированной апертуры. Это утверждение
верно только в том случае, когда путь ФЦА в процессе когерентного
накопления траекторного сигнала мало отличается от прямолинейного
[7]. Это относится, в частности, к случаю маневрирования носителя
РСА с радиусом виража, соизмеримым с дальностью до цели.
Если радиус окружности, описываемой фазовым центром реальной антенны за
интервал накопления сигнала, много меньше дальности до цели, наблюдается
эффект трансформации выходного отклика системы оптимальной обработки
(диаграммы направленности синтезированной апертуры) в соответствии с опи-
санными ранее эффектами [10].
198
ГЛАВА 3 РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Этот факт объяснялся расширением спектра пространственных
частот траекторного сигнала, что в соответствии с принципом
пространственно-временной эквивалентности приводит к
трансформации выходного отклика системы оптимальной обработки
. w sin(x)
траекторного сигнала по сравнению с формой------.
Изменение траектории перемещения ФЦА по сравнению с прямолинейной, при
синтезировании апертуры приводит к изменению амплитудно-фазового распреде-
ления в синтезированной антенной решетке, что, в свою очередь, сказывается на
изменении формы синтезированной диаграммы направленности, являющейся от-
кликом оптимальной системы обработки траекторного сигнала на входное воздей-
ствие в виде сигнала, отраженного от одиночной точечной цели [1].
На рис. 3.19 и 3.20 представлены результаты моделирования
выходного отклика РСА от траектории движения ФЦ реальной
антенны при различных соотношениях между радиусом вращения
ФЦА и дальностью до точечной цели. Угловой размер апертуры
у = Xc/D , где Хс - линейный размер синтезированной апертуры и D
- дальность до цели, полагался равным 0,01.
При этом считалось, что система обработки траекторного
сигнала настроена на прием линейно-частотно-модулированного
сигнала (опорная функция системы обработки рассчитывалась для
прямолинейного поступательного движения ФЦ реальной
антенны). В то же время на ее вход подавался сигнал, частота
которого изменялась по гармоническому закону, т.е. когда ФЦА
перемещается по круговой траектории. На рис. 3.19 и 3.20
приведены отклики системы обработки траекторного сигнала РСА
при радиусах вращения ФЦА, составляющих 0,9£> и O,1D
соответственно.
Как и следовало ожидать, несоответствие параметров
опорного сигнала с параметрами сигнала, действующего на входе
системы обработки, приводит к искажению выходного сигнала.
Причем, как видно из приведенных на рис. 3.19 и 3.20
графиков, при радиусе вращения ФЦА, соизмеримом с дальностью,
_ _ sin(x)
отклик системы обработки мало отличается от ------------
. При
радиусе вращения фазового центра реальной антенны много
меньших дальности до точечной пели отклик существенно
расширяется и уменьшается по уровню (0,14 против 0,45).
При радиусе перемещения ФЦА, много меньшем дальности до ТЦ, для получения
качественного и адекватного РЛИ нельзя пренебрегать возникающей нелинейной
модуляцией траекторного сигнала, и следует вводить поправки в опорную функ-
цию системы обработки траекторного сигнала.
199
РЛС АВИА ЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 3.19
Рисунок 3.20
Данные поправки должны компенсировать изменения
амплитудно-фазового распределения в синтезируемом раскрыве
антенны, происходящие из-за отклонения траектории движения
ФЦА от прямолинейной.
Из проведенного анализа следует, что изменение траектории переме-
щения ФЦ реальной антенны в процессе синтезирования апертуры ан-
тенны относительно прямолинейной приводит к изменению амплитуд-
200
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
но-фазового распределения поля в раскрыве искусственной антенной
решетки, которое сказывается на изменении ее диаграммы направ-
ленности.
Характер этого изменению зависит от соотношения между даль-
ностью до наблюдаемого объекта (подстилающей поверхности) и ра-
диуса кривизны траектории.
Когда радиус кривизны траектории перемещения фазового центра
реальной антенны много меньше дальности до цели, происходит из-
менение амплитудно-фазового распределения в синтезированной
апертуре, приводящее к уменьшению ширины диаграммы направлен-
ности синтезированной антенны, при одновременном возрастании
уровня ее боковых лепестков.
Синтезирование апертуры антенны
при учете поступательного
и вращательного движений
фазового центра реальной антенны
V К . л . - к ... • «Г Ж?. . "Jim .. .к
В предыдущих параграфах данной главы рассмотрены осо-
бенности, связанные с формированием и обработкой траекторного
сигнала в РЛС с режимом синтезирования апертуры при вращении
ФЦА. Исследуем особенности, присущие режиму синтезирования
апертуры антенны при перемещении ФЦА по комбинированной
траектории, когда виртуальная апертура формируется с учетом как
поступательного движения ФЦ, так и его движения относительно
оси вращения.
Предположим, что объект зондирования является наземной
точечной неподвижной целью, располагаемой в переднебоковом
секторе относительно линии пути носителя РЛС. Поступательное
движение ФЦА происходит по линейной траектории под
фиксированным углом относительно линии пути (оси OY), а
вращательное - за счет вращательного движения ФЦА в картинной
(горизонтальной) плоскости вокруг центра масс носителя (рис. 3.21).
Как видно из рисунка, комбинированная траектория переме-
щения ФЦА представляет собой растянутую спираль. Степень
растяжения зависит от соотношения скоростей поступательного и
вращательного движений. Зондирование неподвижной наземной
точечной цели осуществляется непрерывным сигналом. Диаграмма
направленности антенны предполагается слабонаправленной.
201
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок S.21
Как известно [5, 7], основой для описания траекторного сигнала
является характер изменения дальности до объекта наблюдения. При
комбинированной траектории перемещения ФЦА изменение даль-
ности до ТЦ происходит в соответствии с выражением
Ps(О = ^(*фц(0-*ц)2 +(уфц(0->ц)2 +402 , (3.24)
где хц,рц= const - координаты объекта зондирования (точечной
неподвижной цели); z(t) - h - const - высота носителя РСА отно-
сительно поверхности земли.
202
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА
Изменение координат ФЦ вследствие его прямолинейного
движения происходит по правилу
*пр(0 = VA = vnp
COS(iZ)/,
УпР(0 = *7= Vnp sin(a)t
(3.25)
гДе Vnp
- скорость прямолинейного движения носителя РСЛ.
Вращательное движение фазового центра относительно оси
вращения приводит к изменению координат в соответствии с
соотношениями
хвр О) = ~r cos(2З'вр (0 = r sin(27£lt),
(3.26)
где Q = VBp
- скорость вращательного движения фазового центра
относительно его оси вращения; г - радиус вращения. Обе
величины полагаются постоянными.
Комбинированное движение ФЦА приводит к изменению его
координат в соответствии с соотношениями
хфц(0 хо + хпр (0 + хвр (0? .Уфц(0 3;о + JAip (0 + .Увр (0- (3.27)
При написании (3.27) полагалось, что координаты начала
траектории фазового центра х0, у0 равны нулю. Выражения
(3.25)-(3.27) представляют собой траекторные уравнения в пара-
метрическом виде и описывают изменение хфц , ^фц, входящих в
формулу дальности (3.24).
Опираясь на выражения (3.24)-(3.27) и считая, как и ранее,
сигнал, излучаемый РЛС, монохроматическим, изменение фазы
траекторного сигнала на интервале синтезирования при комбини-
рованной траектории перемещения ФЦА можно представить в виде
%рм(0 = ^А:(0 =
А
(3.28)
Поскольку частота является производной от фазы, ю
выражению (3.28) можно поставить в соответствие выражение,
определяющее изменение частоты траекторного сигнала на
интервалах синтезирования в виде
^прм (0 _ 4я 5£>еЦ) _ 4лг
^сбл (0 ’
(3.29)
где Ксбл(/) - скорость сближения ФЦА и точечной цели при
движении носителя.
203
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
На рис. 3.22 и 3.23 приведены графики, показывающие
характер изменения Dz(z), ^9прм(/) и /прм(0 в процессе
синтезирования апертуры при комбинированной траектории
перемещения ФЦА.
Рисунок 3.22
Рисунок 3.23
204
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ. ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
ОСЯМ
относительные
ординат на данных рисунках отложены
(рис. 3.22),
величины
,н(0 =
z ч ^прм СО
^прм.н(0 =
^прм (®)
прм.н V )
(рис. 3.23, в,
вр
прм.н (О ПРИ Тс=пТвр остается
г), а по осям абсцисс - относительное время 10 =---, где
^вр
период вращения ФЦА относительно оси вращения.
Из приведенных на рисунках зависимостей видно, что
рассмотренные параметры изменяются по периодическому закону с
периодом, равным периоду вращения ФЦА. Причем среднее
значение и %рмн(0 ПРИ малых временах синтезирования
(Тс = пТвр) изменяется линейно. При больших временах интервала
наблюдения (Гс »Твр) средние значения величин DSh (г) и
^прмн(О изменяются по квадратичному закону. Среднее значение
частоты траекторного сигнала /г
постоянным, но с ростом времени наблюдения (Тс »Гвр)
изменяется по линейному закону.
Выражения (3.24) - (3.27) позволяют описать информацион-
ную часть траекторного сигнала по аналогии с (3.1), как
(4тг
Л (3.29)
где S(t) - комплексная огибающая траекторного сигнала; U - ам-
плитуда сигнала; G(t) - функция, описывающая модуляцию сигнала
ДН реальной антенны (в дальнейшем будем полагать G(Z) = 1); Л
длина волны зондирующего колебания; D7(t) - расстояние между
фазовым центром антенны и точечной целью в момент времени t; (р^
- случайная начальная фаза траекторного сигнала.
При написании (3.29) полагалось, что фазовые искажения сигна-
ла, обусловленные средой распространения радиоволны, нестабильно-
стью приемопередающего тракта и отклонениями фазового центра ан-
тенны от движения по траектории, отсутствуют. Амплитудная моду-
ляция траекторного сигнала, возникающая вследствие изменения
дальности до точечной цели, не учитывается, поскольку полагается,
что г . Из выражений (3.28), (3.29) и рис. 3.23, б видно, что
205
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
траекторный сигнал является частотно-модулированнным, причем
частота меняется по гармоническому закону.
Предположим, что наблюдение траекторного сигнала ведется
на фоне только внутренних шумов приемника РЛС. В этой связи
уравнение наблюдения можно представить в виде
y(Z,6z) = S(r) + W),
(3.30)
где S(f) - комплексная огибающая траекторного сигнала (3.29);
N(f) - шумы наблюдения.
Как отмечалось ранее, оптимальный алгоритм обработки тра-
екторного сигнала сводится к перемножению принимаемого и
опорного сигнала, который с точностью до постоянного множителя
повторяет полезный:
S*(t,ao) = S(t,dx,dy) =
— Uq 2
12 2
^(хфцЦ)-хц-Дх) +(уфц(/)-Уц-^) +z(t)2
(3.31)
и затем накоплению (интегрированию) результатов произведений в
течение времени наблюдения (времени синтезирования):
С7ВЫх = \y(t,a}S*(t,ao)dt.
(3.32)
При оценке потенциальных возможностей РСА при перемеще-
нии ФЦА по комбинированной траектории предположим, что шумы
наблюдения отсутствуют. В результате алгоритм (3.32) можно пере-
писать в виде
тс
UBax(dx,dy)= \s(f)S(t,dx,dy)dt
(3.33)
о
где dx, dy - координаты соседней точки пространства.
Выходной отклик (3.33) системы обработки, как и ранее, можно
трактовать как функцию неопределенности траекторного сигнала,
формируемого при перемещении ФЦА по комбинированной траекто-
рии. Моделирование данного отклика с учетом (3.31) и (3.33) для двух
различных дальностей позволило получить вид траекторного сигнала
(рис. 3.24).
Только при малой дальности до цели РСА обладает разрешающей способностью
как по азимутальной, так и по угломестной координатам (рис. 3.24,а). При боль-
шом удалении разрешение по дальностной координате (в плоскости угла места)
может быть обеспечено только при использовании сложных сигналов.
206
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФА ЗОВОГО ЦЕНТРА ...
В дальнейшем будем вести рассмотрение в условиях, когда
точечная цель является неподвижной и находится на большом уда-
лении от РСА, полагая, что разрешение по дальности обеспечива-
ется выбором требуемой ширины спектра зондирующего сигнала.
Как указывалось ранее, возможности РСА по линейному разре-
шению в азимутальной плоскости оцениваются по длительности вы-
ходного отклика (3.33). Для оценки данного параметра рассмотрим
сечения тела неопределенности (рис. 3.24,6) при различных соотно-
шениях скорости поступательного и вращательного движения ФЦА,
азимутальных направлениях прямолинейного движения, длительности
когерентного накопления, и проведем сравнительный анализ возмож-
ностей РСА по разрешению при прямолинейном, вращательном и
комбинированном вариантах движения ФЦА.
Рисунок 3.24
При проведении анализа будем опираться на известные резуль-
таты. Так, потенциальная разрешающая способность при прямоли-
нейном движении носителя РСА и переднебоковом обзоре [13, 16]
^аз=----—----->
2FHrcsin^
(3.34)
где А - длина волны; D — дальность до точечной цели (наблюдае-
мой поверхности); Кн - скорость полета носителя (путевая ско-
рость); Тс - время синтезирования; <рА - угол установки реальной
антенны РЛС относительно линии пути.
Линейная разрешающая способность по азимуту при враще-
нии ФЦА равна [5]
^аз=—(3-35)
л 4г
где г - радиус вращающей структуры (радиус вращения ФЦА).
Кроме того, в [9] показано, что огибающая выходного от клика
оптимальной системы обработки при поступательном движении опи-
207
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
сывается функцией sinx/x (рис. 5 - пунктирная линия), а при враща-
тельном движении - функцией Бесселя первого рода нулевого поряд-
ка (рис. 5 - сплошная линия). В результате при чисто вращательном
движении (по сравнению с поступательным движением ФЦА) разре-
шающая способность выше, но одновременно выше и уровень БЛ
(порядка 40% от уровня ГЛ).
Рисунок 3.25
При комбинированном движении ФЦА и неизменном положении точечной цели
изменение угла направления прямолинейного движения эквивалентно изменению
синтезируемой апертуры антенны, видимой с точки цели.
Следовательно, при комбинированном способе движения
ФЦА изменение углового направления прямолинейного движения
в сторону увеличения приводит к улучшению линейного разреше-
ния по азимуту. Данный факт подтверждается результатами
моделирования, которые приведены на рис. 3.26. Изображение на
рис. 3.26, а соответствует движению носителя РСА под углом
a =0,52 рад, на рис. 3.26, б - 1,04 рад, на рис. 3.26, в - 1,57 рад
(носитель летит непосредственно на цель).
Отличительной особенностью комбинированного движения,
как видно из рис. 3.26, в, является то, что при нахождении цели
строго на линии пути носителя БРЛС линейное разрешение по
азимуту остается высоким и определяется параметрами вращаю-
щейся структуры.
Из выражения (3.34) видно, что при комбинированном
движении ФЦА на размеры формируемой апертуры влияет
скорость движения носителя. На рис. 3.27 представлены выходные
отклики оптимальной обработки траекторного сигнала в
зависимости от изменения скорости прямолинейного движения
208
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
носителя РСА при неизменной скорости вращения ФЦА.
Отношение скоростей вращательного и поступательного движений
вр
пр
вр
= 2лтГ2) варьировалась от 4,31 до 3,03
(рис 321,6 иллюстрирует выходной отклик, соответствующий
отношению скоростей 3,56).
Рисунок 3.26
Скорость прямолинейного движения влияет на приращение линейного разре-
шения по азимуту за счет поступательной компоненты движения ФЦА. Увели-
чение скорости движения носителя РСА приводит к улучшению разрешения
РСА при комбинированном движении ФЦА, а также к постепенному снижению
уровня бокового лепестка выходного сигнала, что повышает контрастность
формируемого РЛИ.
В то же время, из анализа выражений (3.34) и (3.35) видно, что
при комбинированном движении ФЦА скорость вращения ФЦА
относительно оси его вращения не оказывает явное влияния на
форму фазового центра траекторного сигнала. Однако изменение
скорости вращения непосредственно влияет на число оборотов в
течение периода синтезирования, а также на степень растяжения
спиралевидной траектории ФЦА. Выходные отклики системы
оптимальной обработки траекторного сигнала в зависимости от
изменения скорости вращательного движения фазового центра
реальной антенны при неизменной скорости прямолинейного
движения представлены на рис. 3.27. Отношение скоростей
вращательного и поступательного движения варьировалась от 1,82
до 3,03 (рис 3.27,6 иллюстрирует выходной отклик, соответствую-
щий отношению скоростей 2,43).
Изменение скорости вращательного движения ФЦА при сохранении неизменной
скорости прямолинейного перемещения оказывает влияние как на изменение
уровня бокового лепестка, так и на их положение относительно главного лепестка.
Так, увеличение скорости вращательного движения приводит к снижению уровня
главного лепестка и одновременно к удалению их относительно ГЛ.
209
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Рисунок 3.27
Оценим влияние характера движения фазового центра антен-
ны на потенциальные возможности РСА по разрешению.
При этом будем полагать, что угловое направление поступа-
тельного движения, отношение скоростей вращения ФЦА и пере-
мещения носителя, а также отношение радиуса вращающей струк-
туры и начального значения дальности до точечной цели сохраня-
ются неизменными. Сравнение вариантов движений и влияние на
показатели разрешения РСА проведем путем моделирования сис-
темы обработки в данных условиях.
При моделировании перечисленные выше величины будем
полагать соответственно равными 0,785 рад, 3,03 и 3,625-10-4.
Сравнительный анализ различных вариантов движений ФЦА при-
веден на рис. 3.28 - 3.30. Так, на рис. 3.28 изображены выходные
отклики оптимальной системы обработки для двух видов траекто-
рий перемещения ФЦА - комбинированного (сплошная линия) и
поступательного (пунктирная линия).
Рисунок 3.28
Основным варьируемым параметром поступательного движения
являлось отношение времени накопления траекторного сигнала к пе-
210
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
которое изменялось от 0,5 (рис. 3.28,я) до 5
Т
риоду вращения г)т - —-
Tip
(рис. 3.28,в). Результаты, приведенные на рис. 3.28, б, соответствуют
отношению 7Т , равному 2,5.
Из сравнения результатов, приведенных на рис. 3.28,я-в, следу-
ет, что при малом времени синтезирования, когда длина синтезиро-
ванной апертуры меньше или соизмерима с размером апертуры, по-
лучаемой только при вращении, наблюдается выигрыш в линейном
азимутальном разрешении при комбинированном способе переме-
щения ФЦА. По мере роста времени синтезирования вклад в эквива-
лентное увеличение синтезированной апертуры вращательной ком-
поненты уменьшается.
Результаты сравнительного анализа вращательного и комби-
нированного движения ФЦА представлены на рис. 3.29, где сплошная
линия соответствует комбинированному перемещению ФЦА, а
пунктирная - вращательному. Результаты, приведенные на рис. 3.29,
соответствуют отношению времени накопления траекторного сигнала
к периоду вращения ФЦА т/т , равному 0,5; 2,5 и 5.
Рисунок 3.29
Сравнение воздействия вращательного и комбинированного движения ФЦА на ре-
зультаты обработки траекторного сигнала показывает, что при комбинированном
движении за счет влияния поступательной компоненты движения снижается уро-
вень БЛ выходного отклика по сравнению с чисто вращательным движением. Бо-
ковые лепестки высокого уровня по мере роста времени синтезирования смеща-
ются в сторону от ГЛ выходного отклика. Когда время синтезирования при комби-
нированном движении становится значительно больше времени синтезирования,
необходимого для формирования апертуры при вращательном движении, линей-
ное разрешение по азимуту при комбинированном варианте траектории становит-
ся выше, чем при только вращательном движении.
211
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
В связи с возможностью вращения ФЦА относительно центра
масс носителя, движущегося поступательно как по часовой стрелке,
так и в обратном направлении, на рис. 3.30 представлены результаты
анализа данных вариантов движения на возможности РСА по
разрешению. В частности, на рис 3.30,а приведена графическая
иллюстрация отмеченных двух вариантов комбинированного
движения (по осям графика отложены линейные приращения
координат хфц, j/фц, нормированные к соответствующим
проекциям дальности хФЦн =—уфцн “—“Л а на Рис- 3.30,б-г
Dx Dy
представлены выходные отклики системы отработки для данных
вариантов движения.
Рисунок 330
212
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Время накопления траекторного сигнала при моделировании
варьировалось в пределах, аналогичных предыдущему этапу
анализа, однако приведенные графики выходных откликов
соответствуют отношению т/т, равному 1, 2,5 и 3,5.
Из представленных результатов следует, что при малом
времени синтезирования в один и тот же момент времени и одной
траектории в одном случае (при вращении ФЦА против часовой
стрелки) наблюдается уменьшение синтезируемой апертуры, а в
другом случае (при вращении по часовой стрелке) — ее увеличение.
В то же время, по мере роста времени синтезирования данный
эффект при комбинированном движении ФЦА практически не влияет
на качество процесса синтезирования, и суммарная разрешающая
способность по азимуту становится одинаковой (рис. З.ЗО,б-г).
Траекторный сигнал, формируемый в процессе синтезирования апер-
туры антенны при комбинированной траектории движения ФЦА, явля-
ется сложно-частотно модулированным. Параметры нелинейной мо-
дуляции траекторного сигнала зависят как от характеристик вращаю-
щейся структуры ФЦА (от угловой скорости перемещения фазового
центра и радиуса вращения), так и скорости поступательного его дви-
жения.
При комбинированном перемещении фазового центра реальной
антенны наблюдается приращение синтезированной апертуры, кото-
рое обеспечивает повышение линейного разрешения РСА по азимуту,
однако данное преимущество наблюдается при малом времени коге-
рентного накопления траекторного сигнала (TH < 5 ТВР).
За счет вращательной компоненты движения ФЦА относительно
центра масс носителя РСА при комбинированной траектории его пере-
мещения возможно решение проблемы получения РЛИ строго впереди
носителя, детальность формируемого изображения в этом случае оп-
ределяется параметрами вращающей структуры.
Поступательная компонента комбинированного движения ФЦА
позволяет снизить уровень боковых лепестков выходного отклика
системы обработки по сравнению со случаем чисто вращательного
движения, следовательно, повысить контрастность формируемого
РЛИ.
213
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
' Эффективная синтезированная
апертура антенны
3.5 ! при комбинированной траектории
движения фазового центра
реальной антенны
Искусственная апертура, формируемая в процессе когерентной об-
работки траекторного сигнала в процессе перемещения ФЦА, опре-
деляет возможности РСА по разрешению в азимутальной плоскости.
При поступательном перемещении ФЦА при прочих равных
условиях параметры синтезированной апертуры зависят от протя-
женности интервала, в течение которого ведется когерентная об-
работка траекторного сигнала [2, 4, 5]. При вращательном движе-
нии ФЦА параметры искусственной апертуры определяются пара-
метрами вращающей структуры [10-12]. При учете как поступа-
тельного, так и вращательного движения ФЦА на параметры синте-
зированной апертуры влияет как протяженность интервала коге-
рентной обработки, так и параметры вращающей структуры [13].
Вместе с тем, вклад в процесс формирования искусственной
апертуры антенны отдельных составляющих комбинированного
движения ФЦА различен. В этой связи рассмотрим влияние
составляющих комбинированной зраектории движения ФЦА
(рис. 3.31) на процесс синтезирования апертуры антенны. При этом
объект зондирования является наземной точечной неподвижной
целью, располагаемой в передне-боковом секторе относительно
линии пути носителя РЛС.
Рисунок 3.31
214
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Как видно из рис. 3.31, траектория комбинированного пере-
мещения имеет характерные участки, которые повторяются с пе-
риодичностью вращения фазового центра реальной антенны отно-
сительно центра масс носителя. В течение одного периода вра-
щения траектория (рис. 3.31,6) включает в себя как дугообразную
часть, по которой перемещается фазовый центр поступательно
вперед, так и петлевую часть, по которой он движется в
направлении, обратном движению носителя (рис. 3.31,6). Анализ
времени движения фазового центра по данным участкам
траектории показал, что на петлевую часть траектории расходуется
время в три раза большее, чем на дуговую.
Из результатов, приведенных в [13], следует, что при
движении ФЦА по комбинированной траектории путь синтезиро-
вания можно представить в виде Lc = Lc + ЛА, где Lc - путь синте-
зирования, соответствующий движению ФЦА по прямолинейной
траектории; ДА - приращение Ас за счет вращательной компо-
ненты движения ФЦА.
Причем приращение ДА обеспечивается, когда ФЦ движется
по дугообразной части траектории. После достижения опреде-
ленной точки на петлевой части траектории величина АА = 0,
несмотря на постоянное приращение длины кривой линии за счет
вращательного движения фазового центра. Данную точку на
траектории можно найти, если воспользоваться уравнением
нормали, проведенной к касательной в данной точке траектории:
y(i) - у(М=- Х'1)) (3.36)
у (О
Для ее нахождения необходимо найти совместное решение
уравнений нормали и траектории в заданной точке:
Уфц('1) = Я*1)-
(3.37)
Учитывая, что аналитическое представление нормали является
уравнением прямой в плоскости ун (t) = x(t) + b, получаем следую-
щую систему уравнений:
Vnp cos(a) + 2flQrsin(2TzQ/)+ Vnp sin(a) + 2^Qrcos(2^Q/) = 0;
sin(cr) + 2яОг cos(2tzQ/) 0,
(3.38)
где Q - угловая скорость вращения ФЦА; г - радиус вращения ФЦ;
а - угловое положение цели относительно линии пути носителя.
215
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Решение системы (3.38) имеет вид
В результате получаем две характерные точки O2[x(t2\ у (^2)]
и О3[х(/3); y(z3)] на траектории, которые определяют ее дугообраз-
ную часть, влияющую на величину Lc, и через которые может
быть проведена секущая, отделяющая петлевую часть траектории.
Для наглядности на рис. 3.32 в укрупненном масштабе
сплошной линией выделена часть траектории фазового центра,
соответствующая периоду вращения.
Перемещение по дугообразной части, расположенной выше
этой прямой, приводит к постоянному приращению синтезируемо-
го раскрыва.
Если на траектории отметить две точки О2 и О3,
соответствующие началу и концу дугообразной ее части и лежащие
на продолжении нормали к касательной в точке изменения знака
производной, то можно выделить некоторую эквивалентную
апертуру £*кв, формируемую при поступательном перемещении
фазового центра в процессе синтезирования при движении его по
комбинированной траектории.
216
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Петлевая часть траектории, заключенная между точками
Хб)] и O2[x(t2); Х*2)]> не оказывает положительное
воздействие на приращение пути синтезирования за счет
поступательного движения. Тем не менее, на интервале
упомянутой части траектории процесс синтезирования реализуется,
но только за счет вращательной компоненты перемещения ФЦА.
Параметры, необходимые для оценки эффективности
процесса синтезирования при учете
как различных частей траектории ФЦА, так и всей ее части
• Длина траектории 5(ТН) синтезирования.
• Формируемая апертура Lc (Тн )
• Уровень боковых лепестков £/6j[(Th) выходного сигнала
оптимальной системы обработки.
• Потенциальное линейное разрешение в азимутальной
ПЛОСКОСТИ «^.комб^н)
Данные параметры, как известно, являются функциями времени
синтезирования (времени накопления ТИ траекторного сигнала).
Для сравнительного анализа различных вариантов движения
введем относительные перечисленные выше качественные
показатели в виде:
(3-40)
£(гс)=^-2,(^ (3-41)
= (3.42)
^аз.комб.1 v*cz
где первый определяет относительную синтезированную апертуру,
второй - относительный уровень боковых лепестков выходного
сигнала оптимальной системы обработки, третий - относительное
линейное азимутальное разрешение.
При рассмотрении показателей (3.40) - (3.42) фигурируют два
вида движения ФЦА. Учитывая, что анализируются три вида траек-
торий движения (прямолинейная, круговая и комбинированная),
наиболее целесообразно рассматривать данные показатели при
сравнении комбинированной траектории с прямолинейной и
вращательной.
217
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Характер изменения параметров (3.40) - (3.42) в зависимости
от относительного времени когерентной обработки в процессе син-
тезирования апертуры при движении ФЦА по комбинированной
траектории относительно аналогичных процессов при прямолиней-
ной и вращательной траекториях приведен в табл. 3.1. Подстроч-
ный идентификатор при каждом качественном параметре, пред-
ставленном в табл. 3.1, состоит из двух индексов: первый опреде-
ляет сравниваемый показатель в соответствии с (3.40) - (3.42),
второй - вид траектории перемещения фазового центра: 1 - прямо-
линейное, 2 - вращательное. В качестве относительного времени, в
табл. 3.1 используется величина т] , равная отношению времени на-
копления к периоду вращения.
Таблица 3.1
т 77 = —— Т вр Параметр
Качественный параметр Качественный параметр <2 Качественный параметр £
К А.к< >мб ” L с.пр е А.комб <?12~ L ^с.вр е ^бл.комб бл.пр е _ ^бл.комб <?22“ и бл.вр к _ ^аз.комб ^31 О Г ^аз.пр су е _ ^аз.комб Ь32 “ А/ ^*аз.вр
1,0 2,015 2,232 1,619 0,85 0,496 0,865
2,5 1 3,109 1,19 0,625 1 0,621
5,0 1 5,836 1 0,525 1 0,33
Чем меньше относительное время г], тем выше показатель (3.40) и больше про-
является преимущество комбинированного движения перед прямолинейным, ко-
торое обусловлено значительным вкладом величины AL в величину Л* . За счег
этого при данных условиях и лучше показатель (3.42).
Приращение АЛ за счет вращательного движения уменьшается
по мере увеличения времени накопления. После времени
накопления, примерно равного Лн = 2,57^р , вклад АЛ в Л* можно не
учитывать. Такая же тенденция изменения и параметра 4з •
Иначе ведет себя показатель (3.41). При малом времени
накопления уровень боковых лепестков высок - выше, чем при
чисто прямолинейном движении. При накоплении сигнала в течение
пяти периодов вращения и более уровень боковых лепестков
снижается и устанавливается соответствующим уровню, имеющему]
место при поступательном перемещении фазового центра.
218
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
В связи с тем, что при комбинированной траектории движения
ФЦА, как это отмечалось ранее, все ее участки вносят вклад в
приращение синтезируемой апертуры, обусловленной поступатель-
ным движением, оценим вклад вращательного движения. Участками
комбинированной траектории, которые обеспечивают приращение
апертуры, являются дугообразные ее части.
Рассматривая данные участки комбинированной траектории, можно говорить об
эффективной синтезированной апертуре, представляющей собой совокупность ду-
гообразных ее частей.
При этом возможно образование эффективной апертуры,
опираясь на два подхода.
Подход L В состав эффективной траектории включаются
только те участки дугообразной траектории, которые отсекаются
прямой, проходящей через точки пересечения дугообразных частей
комбинированной траектории, соответствующих разным периодам
вращения (прямая АВ на рис. 3.32). Как показывает анализ
элементов комбинированной траектории ФЦА, образуемой за
временной интервал, равный одному периоду вращения 7^р,
данные дугообразные участки синтезированной апертуры
образуются за четверть периода вращения (рис. 3.33,а).
Поход 2. В состав эффективной траектории включаются все
дугообразные участки комбинированной траектории, которые
обеспечивают приращение величины £с. В этом случае время, в
течение которого формируется дугообразная часть траектории,
составляет 0,6Твр (рис. 3.34,я).
Вне зависимости от того, какой подход будет использован для
формирования эффективной апертуры при комбинированном
движении ФЦА, эффект приращения синтезированной апертуры
будет наблюдаться только при малом времени синтезирования
апертуры: 7^<2,57^р. При большом времени синтезирования
основным движением ФЦА, за счет которого обеспечивается
синтезированная апертура, будет его поступательное движение,
обусловленное перемещением носителя, что следует из результатов
анализа введенных выше коэффициентов эффективности
синтезирования. В табл. 3.2 даны коэффициенты эффективности
синтезирования для первого варианта формирования апертуры. В
табл. 3.3 даны коэффициенты эффективности синтезирования для
второго варианта формирования апертуры.
219
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
dB. рад-10'3
Гс = Гвр
б)
d6, рад 10'3
de, рад-10
в)
Рисунок 3.33
Таблица 3.2
т т вр Параметр
Качественный параметр Качественный параметр 6 Качественный параметр 6 j
Е _ ^С.КОмб L пр Е _ ^•'с.КОмб L ^с.вр Е _ ^бл.КОмб и ^бл пр Е _ ^бл.КОмб ^22" и и блвр е ^аз.комб *31 “ Х7 ^ач.пр е _ ^азжомб ^^аз.вр
1,0 0,985 1,108 1,476 0,775 1,015 1,743
3,0 1 3,844 1 0,525 1 0,502
5,0 1 5,612 1 0,525 1 0,343
220
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Рисунок 3.34
Таблица 3.3
т 7 = — Т вр Параметр
Качественный параметр £ Качественный параметр 6 Качественный параметр
Е _ ^С.КОмб L ^с.пр Е _ ^С.КОМб ^12~ L ^с.вр Е ^бл.КОМб ^бл.пр Е _ ^бл.КОмб ^22- ц бл.вр *31 “ X/ ^аз.пр су е _ ^аз.комб ьзг ~ & аз.вр
1,0 1,97 2,215 1,571 0,825 0,508 0,871
3,0 1 3,844 1,238 0,65 1 0,502
5,0 1 4,864 1 0,396 1 0,396
221
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Из результатов таблиц видно, что в зависимости от варианта
подхода образования эффективной апертуры по-разному изменяется
относительный уровень боковых лепестков (показатель ) и ли"
нейное разрешение по азимуту (показатель £3). При втором вариан-
те подхода образования эффективной апертуры и малом времени
когерентного накопления показатель £3 выше, чем при первом.
Данные выводы подтверждаются результатами моделирова-
ния (рис. 3.33, 3.34). На рисунках представлены выходные отклики
системы обработки траекторного сигнала при комбинированной
траектории движения ФЦА с учетом первого и второго вариантов
формирования эффективной апертуры соответственно при различ-
ных интервалах когерентной обработки траекторного сигнала.
Необходимо заметить, что представленные в табл. 3.32 и 3.33, а
также на рис. 3.33 и 3.34 результаты соответствуют анализу примени-
тельно к вкладу вращательного движения ФЦА в поступательное его
движение при комбинированной траектории перемещения ФЦ. Все
достоинства, связанные с чисто вращательным движением ФЦА (а
именно: возможность синтезирования строго впереди носителя РСА;
формирование искусственной апертуры в режиме «под собой»; синтез
апертуры антенны при отсутствии поступательного движения
носителя РСА) остаются и при комбинированном перемещении ФЦА.
Кроме того, открывается возможность синтеза апертуры и,
следовательно, формирования РЛИ наблюдаемой поверхности не
только в передне-боковом и боковом секторе, но и в задней полусфере
носителя. В тоже время, ввиду изменения круговой траектории ФЦА
за один период вращения при комбинированной траектории его
движения возникают некоторые особенности, которые следует
учитывать при реализации системы обработки траекторного сигнала.
При комбинированной траектории движения ФЦА имеет место прира-
щение синтезируемого раскрыва за счет вращательной компоненты по
сравнению с чисто поступательным движением, которое обусловлено
фазового центра перемещением на дугообразном участке траектории.
Совокупность дугообразных участков комбинированной траекто-
рии образует эффективную синтезированную апертуру.
Направление вращательного движения ФЦА относительно на-
правления поступательного движения носителя при комбинированной
траектории движения фазового центра реальной антенны имеет зна-
чение при малых временах когерентного накопления траекторного
сигнала и может приводить как к увеличению синтезируемого рас-
крыва, так и его уменьшению.
222
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
\ Интерферометрический режим
бортовой РЛС
3.6 с синтезированием апертуры
при вращении фазового
центра реальной антенны
_____ г > л
При рассмотрении вопросов формирования РЛИ в режиме синтези-
рования апертуры за счет вращения фазового центра реальной
антенны предполагалось, что отображение его осуществляется в
картинной плоскости. В то же время, при формировании
изображений различных объектов используются 3D технологии,
которые дают трехмерное представление наблюдаемого объекта.
При поступательном движении ФЦА использование интерферометрического ре-
жима формирования высокодетального РЛИ земной поверхности позволяет полу-
чать трехмерные изображения наблюдаемого кадра земной поверхности.
Рассмотрим режим интерферометрии применительно к
процессу формирования РЛИ при синтезировании за счет вращения
фазового центра реальной антенны.
Предположим, что на высоте Н над подстилающей поверхно-
стью располагаются два фазовых центра реальной антенной систе-
мы. Они разнесены в пространстве на высоту Афц и вращаются в
плоскостях, параллельных поверхности земли (рис. 3.35). Высота
подвеса фазовых центров реальной антенны Н » Лфц . В результате
расстояние d между фазовыми центрами (база) в процессе наблю-
дения земной поверхности изменяется от минимального значения
б7мин = Лфц до t7MaKC, которое при заданном разносе плоскостей
вращения зависит от радиуса вращения фазового центра. Радиусы
вращения фазовых центров т\ и г2 будем считать одинаковыми. В
итоге в процессе вращения база интерферометра du изменяет как
свою длину, так и угловое положение относительно вертикали - угол
(pd. На рис. 3.35: du - база интерферометра, Афц - разнос высот
расположения ФЦ1 и ФЦ2; a - угол между ФЦ1 и ФЦ2 в плоскости
горизонта, (р - угол прихода сигнала, отраженного от цели; (pd -
угол наклона базы интерферометра; (рн - угол визирования.
Иными словами, база интерферометра является функцией двух
параметров- б7и = /(йфц, г) (рис. 3.36):
223
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
<№ =
(3.43)
где
ХФЦ1 (0 “ -УфЦ2 (О — Хвр (О?
УфЦ1 О) “ ХФЦ2 (О = -Увр (О-
- координаты фазовых центров.
При этом минимальное и максимальное значения базы
где г - радиус вращения ФЦА.
224
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Объектом зондирования является точечная цель, расположенная
на подстилающей поверхности и находящаяся на расстоянии D от
источника зондирующего сигнала в плоскости горизонта. Высота цели
относительно плоской подстилающей поверхности - /?ц .
Угол визирования
(рк (/) = arcsin(z(0/r>H (/)) (3.44)
за период вращения остается практически неизменным ввиду того,
что наклонная дальность до цели, определяемая выражением (3.45),
значительно превышает высоту Н полета носителя:
(О = -^фц(О)2 +(л -З'фцЮ)2 +(^фц(0)2 , (3-45)
где хц, у - координаты объекта зондирования на подстилающей
поверхности (гц = 0); хФЦ , уфц, 2ФЦ - текущие координаты
фазового центра антенны. Координата гФЦ характеризует малое
значение самого угла, а изменение дальности ввиду вращения
фазового центра несущественно.
Нетрудно заметить, что угол между фазовыми центрами в
горизонтальной плоскости <2фц при их совместном встречном
вращении со временем изменяется. Учитывая, что угловая скорость
вращения одинакова, период изменения угла Та составляет в 2 раза
меньшее значение по сравнению с периодом Гвр вращения. С пе-
риодом Та изменяются угол наклона базы интерферометра cpd и
угол (р прихода сигнала, отраженного от цели. Однако характер их
изменения более сложный:
<Pd (О = агс8ш(АФЦ / dH (/)),
(3.46)
(p(t) = 0,5 л- - % (Z) - <pd (t),
где dM(t) - текущее значение базы интерферометра.
Информация о высоте наблюдаемой цели заложена в фазовых
различиях принимаемых сигналов в точках ФЦ1 и ФЦ2:
Yx(t, a)-SnpMA(t, ax) + n(t), (SAT)
Y2(t, a) = SnpM2(t, a2) + n(t), (3.48)
где SupMi(t, 6ZZ) - полезный сигнал; - параметр принимаемого
сигнала 5прм/, в который заложена информация о фазе сигнала;
225
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
n(t) - шумовое воздействие, представляющее собой аддитивный
белый гауссовский шум (БГШ).
Необходимо, опираясь на принимаемые сигналы (3.47), (3.48),
соотношения (3.45) и (3.46) и геометрию зондирования наземной
цели (рис. 3.35), определить высоту наблюдаемого объекта.
Для выделения информации о высоте наблюдаемого объекта
воспользуемся известной методикой оценки информационных
параметров радиолокационного сигнала [2], построенной на методе
максимума функции правдоподобия (логарифма функции
правдоподобия). В соответствии с данной методикой необходимо
сформировать функцию правдоподобия, определить ее логарифм и
найти максимум данной функции. Аргумент функции, при котором
достигается ее максимум, и будет оценкой информационного
параметра. В данном случае логарифм функции правдоподобия
(корреляционный интеграл) имеет вид
Z(a)= ^Y(t,a)Son(t)dt.
(3-49)
Следовательно, максимум Z(a) можно найти из выражения
[У(t,a)Son (f)dt = 0.
да
да J
о
(3.50)
Решение уравнения (3.50) и является оценкой информацион-
ного параметра.
Структуру системы обработки, соответствующую (3.50), мож-
но реализовать как во временной форме, так и в частотной.
Опираясь на второй (частотный) вариант, структуру системы
обработки можно представить в виде, приведенном на рис. 3.37.
Выходным параметром системы обработки является разность фаз
сигналов, принятых в точках ФЦ1 и ФЦ2. Выделение данной ин-
формации на схеме рис. 3.37 осуществляется с помощью элементов
ИФ (идентификатор фазы) и ФД (фазовый детектор).
Перемножение принимаемого колебания на опорную
функцию в каждом канале обработки позволяет устранить фазовый
набег, обусловленный вращением фазового центра:
Прм1 (0 — *^прм1 (0 * *$оп1 (0 —
<(2^/o/+^J[(/7(z)-ft)+O>5Acec]2+Z)2)
Л ’ J
= те
(3.51)
226
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
ФД
Рисунок 3.37
После спектральной обработки
ТС
sPx(D= р'прм1(/Н2^л.
О
в идентификаторе фазы происходит выделение фазы сигнала:
(/) = arg(Sp, (/)) (/ = 1,2). (3.52)
Информация о позволяет найти разность фаз
A = arg(SA (/) - arg(Sp2 (/)), (3.53)
которая связана с высотой /?ц объекта детерминированной
зависимостью
Лц - Н - DH (3.54)
I 4л-Лфц J
где Aj/(/0) - разность фаз принятых сигналов на центральной
частоте спектра.
Выражение (3.54) при известных Л, Н, DH и Лфц позволяет
по оценке Aj/(/0) определить высоту наблюдаемого объекта.
Как известно [3,5], потенциальная точность определения
угловой координаты зависит от ширины ДН антенны ©0 и
отношения q сигнал/шум (С/Ш) на входе приемного устройства:
227
РЛС АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
О
В свою очередь, при заданном значении угловой координаты
высота рельефа связана с дальностью до объекта:
(3.56)
сгА(/) = —-
cos(pH(/))
При этом угол прихода сигнала (p(t), отраженного от цели,
связан с фазой сигнала интерферометра :
(3-57)
4лу7и(/)
Соотношение (3.57) получено на основе предположения о ма-
лости значений углов ср, что позволяет считать sin(^?)» (р. Следо-
вательно,
В результате выражение для точности оценивания высоты
объекта будет иметь вид
_ (t\ = 'WQQp П 5QS
^T^(Z) I— , (3.5У)
47rda(t)y]q cos(>H(/))
где dn (t) - текущее значение базы интерферометра; ©0 - ширина
диагрммы направленности антенны в угломестной плоскости при
работе на прием и передачу; q - отношение сигнал/шум.
Характер поведения точности измерения высоты во времени
приведен на рис. 3.38 (по оси ординат отложена нормированная
° 7 \ °л(0 \
величина crh(t) = ——).
Рисунок 3.38
228
ГЛАВА 3. РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЕМОЙ ПРИ ВРАЩЕНИИ ФАЗОВОГО ЦЕНТРА ...
Как видно из выражения (3.59) и приведенного графика,
точность измерения высоты о