Основы радиолокации

Что такое голографический радар?

Голографическая обработка радиолокационных изображений

Стремительное развитие вычислительных средств сделало возможной голографическую обработку радиолокационных изображений. Радиолокаторы, в которых используется технология, схожая с голографией в фотографических процессах, называются голографическими радиолокаторами.[1]

Голографическая обработка изображений

Принцип голографии (см. Рисунок 1) состоит в регистрации фазовой картины когерентного пучка света (как правило, источником является лазер). Такой свет разделяется на опорную волну и падающую (освещающую) волну при помощи полупрозрачного зеркала. Оба компонента пучка света накладываются друг на друга на поверхности из светочувствительного материала (фотопленке) и, таким образом, регистрируется (записывается) разность фаз между этими двумя волновыми процессами.

Однако после проявления пленки на ней практически ничего не будет видно, только небольшие помутнения, вызванные микроскопически тонкими интерференционными линиями. Если теперь пленку освещать той же опорной волной, то лучи света по разному дифрагируют на этих линиях. Для зрителя это выглядит так, как будто он смотрит на трехмерное изображение через окно (рамку рисунка). В некоторых направлениях зритель может даже рассматривать изображение под разными углами.

Голографическое радиолокационное изображение

Аппаратная реализация этого принципа в радиолокационной технологии намного проще, чем можно предположить по Рисунку 1 с видимым светом. Вместо когерентного лазерного света используется стабильный когерентный гетеродин, который постоянно генерирует колебания высокостабильной частоты. Полупрозрачное зеркало заменяется делителем мощности или направленным ответвителем. В данном случае, «опорная волна» – это просто часть колебаний гетеродина, которая остается в радиолокаторе и используется для демодуляции. «Падающая волна» («освещающая волна») – это часть колебаний гетеродина, которая усиливается до высокой мощности в передатчике и излучается антенной. Интерференция между эхо-сигналом («волной от объекта») и колебанием опорной частоты имеет место в I/Q-демодуляторе.

Соответствующие аппаратные требования обеспечиваются практически в каждом современном радиолокационном устройстве, не зависимо от того, представляет оно собой импульсный радиолокатор или радиолокатор непрерывного излучения.

Голографические радиолокаторы для малых расстояний

Рисунок 2. Радиолокатор подповерхностного зондирования РАСКАН-5

Рисунок 2. Радиолокатор подповерхностного зондирования РАСКАН-5

Такие голографические радиолокаторы (для работы на малых расстояниях) используются, например, в качестве радиолокаторов подповерхностного зондирования или в качестве, так называемых, сканеров тела в сфере безопасности. Они функционируют с непрерывным излучением на нескольких (до пяти) рабочих частотах и измеряют разность фаз отраженных волн как в радиолокаторах непрерывного излучения, использующих метод частотной манипуляции. Поскольку сигналы, излучаемые на разных частотах, будут иметь разные фазовые набеги для при отражении от объекта, находящегося на конкретной дистанции, то однозначность измерения дальности достигается для относительно большого диапазона дальностей. В таких устройствах формируется последовательная запись – либо точно позиционируемой одиночной антенной, либо при помощи антенного переключателя, которым выбирается передающая антенна для текущего излучения из группы одиночных излучателей.

Обработка радиолокационного изображения называется голографической, в данном случае, потому что дальность рассчитывается по разностям фаз, что несколько похоже на метод голографии. Однако трехмерное голографическое изображение не может быть рассчитано в реальном времени из-за того, что измерения выполняются последовательно. Голографическая обработка изображений обеспечивает относительно большую глубину проникновения сигнала в грунт для соответствующих частот излучения (до 10 λ) и намного лучшее разрешение деталей благодаря использованию более высоких частот.[2]

Голографические радиолокаторы в качестве обзорных радиолокаторов

Рисунок 3. Holographic Radar™ компании Aveillant Ltd. (Великобритания)^[1]

Рисунок 3. Holographic Radar™ компании Aveillant Ltd. (Великобритания)™

Сравнение с Рисунком 1 в данном случае имеет особенность: различные интерференционные линии в голографической фотографии должны быть заменены большим количеством приемных каналов и мощным компьютером. Такие радиолокаторы должны оснащаться фазированными антенными решетками с цифровым диаграммообразованием. Радиолокатор должен одновременно облучать излучаемой мощностью все пространство, подлежащее сканированию. Приемная антенна содержит 100 индивидуальных облучателей, каждый из которых имеет полный цифровой приемник. По этим данным в компьютере рассчитывается большое количество независимых диаграмм направленности антенн и, таким образом, вычисляется трехмерное изображение.

Поскольку антенна не двигается, требуемая область пространства может сканироваться намного чаще (до 4 раз в секунду), чем при использовании обычной параболической антенны (только около 1 раза в 4 секунды). Это делает сопровождение цели более легким, поскольку в данном случае цель облучается практически все время. Движение цели, таким образом, может обнаруживаться намного легче, поскольку отсутствует необходимость расчета нового положения цели по ее отметке, полученной 4 … 5 секунд назад.

Отражения от неподвижных объектов (пассивные помехи) могут подавляться в таких радиолокаторах более эффективно, поскольку они обнаруживаются в других приемных каналах, чем сигналы высокоскоростных целей. Даже мешающие отражения от лопастей ветрогенераторов могут подавляться без каких-либо проблем, поскольку частый опрос позволяет получить более точный допплеровский спектр и измерить очень малую разность фаз.

Следует заметить, что такие вычисления требуют мощности компьютера в районе 50 терафлопс (50 триллионов операций с плавающей запятой в секунду).