Радиолокатор с синтезированной апертурой
Рисунок 1. Радиолокационный силуэт (изображение) корабля, сформированный при помощи процессора обратной синтезированной апертуры радиолокатора Ocean Master
Радиолокатор с синтезированной апертурой
Радиолокатор с синтезированной апертурой (англ. Synthetic Aperture Radar, SAR) представляет собой бортовую когерентную радиолокационную систему бокового обзора, как правило, авиационную или космическую, в которой движение платформы используется для электронного моделирования чрезвычайно большой апертуры. При помощи таких радиолокаторов получают радиолокационные изображения высокого разрешения при дистанционном зондировании. Суть метода синтезирования апертуры заключается в том, что радиолокационные данные, полученные в каждом отдельном периоде зондирования, сохраняются совместно с данными о местоположении платформы, соответствующими этим периодам. Все эти данные сохраняются в течение определенного интервала времени. Расстояние, на которое переместится платформа в течение этого интервала, определяет размер синтезированной апертуры. По окончании интервала полученные данные обрабатываются совместно, как если бы они были получены при помощи антенной решетки, элементы которой соответствуют положениям платформы с радиолокатором во время каждого из периодов зондирования. При обработке учитываются допплеровские сдвиги частоты, которые будут разными для разных взаимных положений радиолокатора и цели в каждом периоде зондирования. Таким способом достигается гораздо более высокое разрешение радиолокационного изображения, чем у радиолокатора с такой же антенной при использовании реальной апертуры.
Как функционирует радиолокатор с синтезированной апертурой?
Рисунок 2. Расширение луча синтезированной апертуры
Рисунок 2. Расширение луча синтезированной апертуры
Принцип функционирования радиолокатора с синтезированной апертурой (Рисунок 2) схож с принципом функционирования радиолокатора с фазированной антенной решеткой. Отличие заключается в том, что вместо отдельных антенных элементов фазированной решетки в данном случае используется только одна антенна, но с объединением информации с ее выхода в разные моменты времени и, вследствие движения платформы, в разных точках пространства.
В процессоре радиолокатора с синтезированной апертурой сохраняются все эхо-сигналы (в виде амплитуд и фаз), принятые в течении интервала времени T, который соотвествует перемещению платформы от точки А до точки D. За счет этого оказывается возможным сформировать сигнал, подобный тому, который мог быть получен при помощи антенны с длиной апертуры v · T, где v – скорость движения платформы. Таким образом, синтезируется апертура значительной длины, не существующая в реальности. Отсюда происходит наименование радиолокаторов такого типа. С увеличением времени T синтезированная апертура также увеличивается в длину, а, следовательно, достигается все более высокое угловое (поперечное) разрешение.
Как только цель (например, корабль) попадает в луч радиолокатора, начинают записываться принятые отраженные сигналы для каждого зондирующего импульса. Платформа с радиолокатором продолжает двигаться и эхо-сигналы записываются пока цель находится в луче антенны. Точка, при нахождении платформы в которой цель спустя некоторое время выходит из поля зрения радиолокатора, определяет длину синтезируемой (моделируемой) апертуры антенны. Расширяющаяся синтезированная ширина луча в сочетании с увеличенным временем нахождения цели в луче при увеличении путевой дальности уравновешивают друг друга, так что разрешение остается постоянным по всей полосе.
Потенциальная разрешающая способность в тангенциальном направлении не зависит от дальности до цели и длины волны и определяется только половиной величины раскрыва реальной антенны.
Рисунок 3. Принцип действия радиолокатора с синтезированной апертурой
Рисунок 3. Принцип действия радиолокатора с синтезированной апертурой
Рисунок 3. Принцип действия радиолокатора с синтезированной апертурой
Обязательными требованиями для реализации метода синтезирования апертуры являются:
- стабильный, полностью когерентный передатчик;
- эффективный и мощный радарный процессор;
- точная информация о траектории полета платформы и ее скорости.
С использованием такого метода разработчики радиолокаторов могут добиваться таких значений разрешающей способности, для достижения которых при помощи обычных методов потребовались бы антенны, превышающие по размерам самолеты.
Радиолокатор с синтезированной апертурой был использован на борту космического корабля в ходе радиолокационной топографической миссии (англ. Shuttle Radar Topography Mission, SRTM).
Наряду с радиолокаторами с синтезированной апертурой используются радиолокаторы с обратной (инверсной) синтезированной апертурой (англ. Inverse SAR, ISAR). В данном случае для формирования синтезированной апертуры используется перемещение (или вращение) не платформы с радиолокатором, а самой цели. Радиолокаторы с обратной синтезированной апертурой играют важную роль в функционировании морских патрульных самолетов-разведчиков для формирования радиолокационных изображений, обеспечивающих распознавание целей.
Искажения наклонной дальности
Искажения наклонной дальности возникает за счет того, что в радиолокаторе измеряются наклонные дальности до объектов, а не реальные расстояния между ними в плоскости земли. Это приводит к изменению масштаба изображения, меняющегося от ближней границы к дальней.
Рисунок 4. Искажение «укорочение»
- Укорочение (Рисунок 4) происходит в случаях, когда луч радиолокатора достигает основания высокого элемента, наклоненного к радиолокатору (например, горы), до того, как он достигает вершины. Поскольку в радиолокаторе измеряется расстояние по наклонной дальности, то склон объекта (от точки a до точки b) на радиолокационном изображении будет выглядеть сжатым, а длина наклона будет отображаться неправильно (от точки a' до точки b').
Рисунок 5. Искажение «перестановка»
- Перестановка (Рисунок 5) происходит в случаях, когда луч радара достигает вершины высокого объекта (точка b) прежде, чем он достигнет основания (точка a) этого объекта. Отраженный сигнал от вершины объекта будет получен раньше сигнала, отраженного от нижней части. В результате на радиолокационном изображении верхняя и нижняя части объекта меняются местами (теперь обект простирается от точки b' до точки a').
Рисунок 6. Затенение
- Эффект затенения одних элементов цели другими (Рисунок 6) усиливается с увеличением угла падения θ подобно тому, как наши тени удлинняются при заходе Солнца.