Радіолокатор з синтезованою апертурою антени
Рисунок 1. Радіолокаційний силует (зображення) корабля, сформований за допомогою процесору оберненої синтезованої апертури радіолокатора Ocean Master
Радіолокатор з синтезованою апертурою антени
Радіолокатор з синтезованою апертурою антени (часто – радіолокатор з синтезованою апертурою, від англ. Synthetic Aperture Radar, SAR) являє собою бортову когерентну радіолокаційну систему бічного огляду, як правило, авіаційну або космічну, в якій апертура антени формується за рахунок руху об’єкта-носія радіолокатора та відповідної (спеціальної) обробки прийнятих сигналів. За допомогою таких радіолокаторів отримують радіолокаційні зображення високого розділення при дистанційному зондуванні. Сутність методу синтезування апертури полягає в тому, що радіолокаційні дані, отримані в кожному окремому періоді зондування, зберігаються сумісно із даними про місцеположення платформи, які відповідають цим періодам. Всі ці дані зберігаються протягом певного інтервалу часу. Відстань, на яку переміститься платформа протягом цього інтервалу, визначає розмір синтезованої апертури. По закінченні інтервалу отримані дані обробляються спільно, так якби вони були отримані за допомогою антенної решітки, елементи якої відповідають положенням платформи з радіолокатором під час кожного з періодів зондування. Під час обробки враховуються допплерівські зсуви частоти, які будуть різними для різних взаємних положень радіолокатора та цілі в кожному періоді зондування. Таким способом досягається набагато вище розділення радіолокаційного зображення, ніж для радіолокатора з такою ж антеною у разі використання реальної апертури.
Як функціонує радіолокатор з синтезованою апертурою?
Рисунок 2. Розширення променю синтезованої апертури
Рисунок 2. Розширення променю синтезованої апертури
Принцип функціонування радіолокатора з синтезованою апертурою (Рисунок 2) подібний до принципу функціонування радіолокатора з фазованою антенною решіткою. Відмінність полягає в тому, що замість окремих антенних елементів фазованої решітки в даному випадку використовується лише одна антена, але з об’єднанням інформації з її виходу в різні моменти часу та, внаслідок руху платформи, в різних точках простору.
В процесорі радіолокатора з синтезованою апертурою зберігаються всі сигнали відлуння (у вигляді амплітуд та фаз), прийняті протягом інтервалу часу T, який відповідає переміщенню платформи від точки А до точки D. За рахунок цього стає можливим сформувати сигнал, подібний до того, який міг бути отриманий за допомогою антени з довжиною апертури v · T, де v – швидкість руху платформи. Таким чином, синтезується апертура значної довжини, яка не існує в реальності. Звідси походить назва радіолокаторів такого типу. Із збільшенням часу T синтезована апертура також збільшується в довжину, а, значить, досягається все вища кутова (поперечна) роздільна здатність.
Щойно ціль (наприклад, корабель) потрапляє в промінь радіолокатора, починають записуватися прийняті відбиті сигнали для кожного зондувального імпульсу. Платформа з радіолокатором продовжує рухатися й сигнали відлуння записуються поки ціль знаходиться в промені антени. Точка, при знаходженні платформи в якій ціль через деякий час виходить з поля зору радіолокатора, визначає довжину синтезованої (модельованої) апертури антени. Синтезована ширина променю, яка розширюється, у сполученні із збільшеним часом знаходження цілі в промені при збільшенні шляхової дальності врівноважують одне одного, так що роздільна здатність залишається постійною по всій смузі.
Потенційна роздільна здатність в тангенціальному напрямку не залежить від дальності до цілі та довжини хвилі та визначається тільки половиною величини розкриву реальної антени.
Рисунок 3. Принцип дії радіолокатора з синтезованою апертурою
Рисунок 3. Принцип дії радіолокатора з синтезованою апертурою
Рисунок 3. Принцип дії радіолокатора з синтезованою апертурою
Обов’язковими вимогами для реалізації методу синтезування апертури є:
- стабільний, повністю когерентний передавач;
- ефективний та потужний процесор радіолокатора;
- точна інформація про траєкторію польоту платформи та її швидкість.
З використанням такого методу розробники радіолокаторів можуть добиватися таких значень роздільної здатності, досягнення яких за допомогою звичайних методів потребувало б антен, які перевищують за розмірами літаки.
Радіолокатор з синтезованою апертурою був використаний на борту космічного корабля в ході радіолокаційної топографічної місії (англ. Shuttle Radar Topography Mission, SRTM).
Поряд з радіолокаторами з синтезованою апертурою використовуються радіолокатори з оберненою (інверсною) синтезованою апертурою (англ. Inverse SAR, ISAR). В даному випадку для формування синтезованої апертури використовується переміщення (або обертання) не платформи з радіолокатором, а самої цілі. Радіолокатори з оберненою синтезованою апертурою відіграють важливу роль в функціонуванні морських патрульних літаків-розвідників для формування радіолокаційних зображень, які забезпечують розпізнавання цілей.
Спотворення похилої дальності
Спотворення похилої дальності виникає за рахунок того, що в радіолокаторі вимірюються похилі дальності до об’єктів, а не реальні відстані між ними на площині землі. Це призводить до змінення масштабу зображення, який змінюється від ближньої мажі до дальньої.
Рисунок 4. Спотворення виду “укорочення”
Рисунок 4. Спотворення виду “укорочення”
- Укорочення (Рисунок 4) відбувається у випадках, коли промінь радіолокатора досягає основи високого елементу, похиленого в бік радіолокатору (наприклад, гори), до того, як він досягне верхівки. Оскільки в радіолокаторі вимірюється відстань вздовж похилої дальності, то схил об’єкту (від точки a до точки b) на радіолокаційному зображенні буде виглядати стиснутим, а довжина нахилу буде відображатися неправильно (від точки a' до точки b').
Рисунок 5. Спотворення виду “перестановка”
Рисунок 5. Спотворення виду “перестановка”
- Перестановка (Рисунок 5) відбувається у випадках, коли промінь радіолокатора досягає верхівки високого об’єкту (точка b) перш, ніж він досягне основи (точка a) цього об’єкту. Відбитий від верхівки об’єкту сигнал буде отриманий раніше сигналу, відбитого від нижньої частини. В результаті на радіолокаційному зображенні верхня та нижня частини об’єкту міняються місцями (тепер об’єкт простирається від точки b' до точки a').
Рисунок 6. Затінення
Рисунок 6. Затінення
- Ефект затінення одних елементів цілі іншими (Рисунок 6) підсилюється із збільшенням кута падіння θ подібно до того, як наші тіні збільшуються під час заходу Сонця.