Устройство формирования зон обзора в двухпозиционном радиолокаторе с синтезированной апертурой

Предлагаемое техническое решение относится к двухпозиционным радиолокаторам с синтезированной апертурой (РСА), установленным на космических аппаратах и осуществляющих оперативный мониторинг и диагностику параметров океанских явлений при использовании квазизеркального режима отражения радиосигнала морской поверхностью. Устройство содержит приемную антенну (1), приемник (2) с выходом на несущей частоте f₀, генератор опорного синтезирующего сигнала (3), синхронизатор (4), стробирующий каскад (5), генератор (6) частоты сдвига F₀ опорного сигнала, модулятор частотного сдвига (7), синтезатор (8) азимутальной диаграммы направленности антенны, частотный дискриминатор (9) и вычислитель (10), выполняющий функции когерентного накопления импульсов и формирования азимутальной строки радиолокационного изображения. По сравнению с известными схемами синтеза радиолокационных изображений, применяющихся в однопозиционных РСА, новыми элементами являются генератор частотного сдвига (6), модулятор (7) и частотный дискриминатор (9), обеспечивающие частотное разделение зон бокового обзора, находящихся слева и справа от зеркальной точки. Технический результат заключается в повышении эффективности частотной селекции зон обзора по сравнению с пространственной селекцией, где сложно обеспечить требуемую развязку двух рядом расположенных слабонаправленных антенн.

Предлагаемое техническое решение относится к радиолокации поверхности океана и может быть использовано в радиолокационной системе обзора морской поверхности при мониторинге изменчивых океанских явлений (например, геострофических течений), а также для оперативного прогноза опасных явлений - сейсмических волн (образующих цунами), штормовых волн и экстремальных волн зыби (т.н. «волн-убийц»).

Известны системы космической радиолокации, содержащие радиолокационные аппараты на орбите с приемными и излучающими антеннами [1, 2, 3]. В известных однопозиционных системах радиолокационного обзора при синтезировании апертуры антенны необходимо вводить с необходимой точностью параметры облучающего сигнала, параметры орбиты (высоту H и скорость аппарата W_x), обеспечивать угломестное сканирование луча антенны - однако максимальная ширина зоны обзора не превышает 0,3 H. При зондировании слабоотражающей морской поверхности из космоса средняя излучаемая мощность однопозиционного локатора достигает 1 Квт.

В качестве прототипа выбран «Двухпозиционный радиолокатор для оперативного мониторинга океанских явлений из космоса» (патент РФ на изобретение 2447457), содержащий приемные и излучающие антенны, генератор излучаемого сигнала, СВЧ приемник, устройства синхронизации, антенный коммутатор и синтезатор диаграммы направленности приемной антенны [4]. Способ позволяет существенно (на порядок) расширить зону обзора (до 3 H) без применения угломестного сканирования и существенно снизить мощность излучения (до 40 вт). Способ заключается в выводе двух идентичных аппаратов на равновысотные околополярные орбиты, сильно разнесенные по долготе (на ~30°) и выборе углов визировании морской поверхности, при которых зеркальная точка оказывается в центре зоны обзора, а отраженный сигнал обусловлен «бликовой дорожкой» с высоким (порядка единицы) френелевским коэффициентом отражения.

Одной из особенностей предлагаемого в прототипе метода визирования поверхности является невозможность разделения левой и правой (относительно зеркальной точки) зон обзора по времени прихода импульса, ибо измеряемая наклонная дальность оказывается для этих зон одинаковой. Разделение же зон при использовании пространственной селекции, т.е двухлучевой приемной антенны (что и предполагается в прототипе) - является чрезвычайно сложной задачей, ибо необходимая развязка (порядка 30дБ) между сигналами приемных антенн такого типа вряд ли достижима. Именно это обстоятельство является, на наш взгляд, недостатком прототипа, который следует устранить.

Технический результат заключается в повышении эффективности частотной селекции зон обзора по сравнению с пространственной селекцией, где сложно обеспечить требуемую развязку двух рядом расположенных слабонаправленных антенн, за счет создания устройства частотного разделения зон обзора при квазизеркальном двухпозиционном зондировании морской поверхности.

На фиг.1 показана геометрия двухпозиционного визирования с искусственным углом сноса («косо-боковой» обзор).

Из рисунка видно, как располагается суммарная зона обзора по отношению к симметрично расположенным аппаратам. Область вблизи зеркальной точки (3), где резко ухудшено разрешение по дальности, должна быть исключена из зоны обзора еще и потому, что только таким способом можно защититься от попадания в приемную антенну длинного (несжатого) импульса от излучающей антенны. Схема синхронизации излучаемого и принимаемого сигналов приведена на фиг.2.

Принцип частотного разделения зон обзора основан на особенности двухпозиционного зондирования поверхности по схеме фиг.1, которая заключается в различии знака доплеровского сдвига, обусловленного углом сноса аппарата, для областей, лежащих слева и справа от зеркальной точки. Вследствие этого эффекта доплеровские спектры сигналов от неподвижных участков поверхности, лежащих по разные стороны от зеркальной точки, могут быть разделены путем искусственного смещения частоты опорного синтезирующего сигнала на малую величину F₀ соответствующую удвоенному доплеровскому сдвигу за счет угла сноса:

,

где W_x - скорость аппарата, - длина волны излучения, - угол сноса, - угол визирования поверхности.

В условиях, соответствующих фиг.1, при допустимом (и строго фиксированном) угле сноса =5°, частота F₀ получается около 50 КГц - что на порядок превышает возможную ширину доплеровского спектра отраженного сигнала, включая быстро-движущиеся объекты.

Положение зон обзора в частотной области на выходе синтезатора показано на фиг.3.

На фиг.4 приведена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из приемной антенны (1), СВЧ приемника (2) с выходом на несущей частоте f ₀, генератора опорного синтезирующего сигнала на той же частоте (3), синхронизатора (4), стробирующего каскада (5), генератора частоты сдвига F₀ (6), модулятора сдвига (7) с выходом опорного сигнала на несущей частоте f₀+F₀ , синтезатора (8), частотного дискриминатора (9) и вычислителя (10), выполняющего функции когерентного накопителя импульсов за время синтеза и формирования азимутальной строки РЛ изображения. Буквами а и б обозначены ввод внешнего синхроимпульса и выход на дисплей радиолокатора, в - ввод величины угла сноса. Остальные функциональные элементы радиолокатора, относящиеся к излучению сигнала, когерентному сжатию сигнала по дальности и формированию строки дальности здесь не показаны.

Устройство работает следующим образом. Импульсный сигнал с выхода приемника (2) стробируется в каскаде (5) и поступает на вход синтезатора (8), где происходит синтез азимутальной диаграммы направленности антенны, т.е. свертка принимаемого сигнала с опорным сигналом, вырабатываемом блоком (3) для каждой строки дальности. Квадратурные составляющие сигнала с выхода синтезатора поступают в блок вычислителя (10), где накапливаются в соответствии с заданным временем синтеза и формируют азимутальную строку радиолокационного изображения. Синхронизация времени стробирования приемника, параметров опорного сигнала и длительности синтеза обеспечиваются блоком синхронизации (4), на который вводится внешняя синхронизация. Частотное разделение зон бокового обзора осуществляется сдвигом частоты опорного сигнала в модуляторе (7), на который поступает непрерывный сигнал от генератора (6), частота которого F₀ согласована с величиной угла сноса аппарата, а само разделение обеспечивается частотным дискриминатором (9), включенным между синтезатором (8) и вычислителем (10).

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. US Patent G01S 13/90, No 6.452.532, September 17, 2002. Apparatus and method for microwave interferometry radiating incrementally accumulating holography, inventor Grisham W.H.

2. US Patent G01S 13/90, No 6.677.884, January 13, 2004. Satellite configuration for interferometric and/or tomographic remote sensing by means of synthetic aperture radar (SAR), inventors Moreira A., Krieger G, Mittermaier J.

3. US Patent G01S 13/90, No 11.235.42, May 18, 2005. Method for producing map images of surface sea current velocity vectors and altimetric radar system using the method, inventor Buck C.H.

4. Патент РФ на изобретение «Радиолокационный способ оперативной диагностики океанских явлений из космоса» 2447457, приоритет 07.10.2009, выдан 10.04.2012.

Устройство формирования зон обзора в двухпозиционном радиолокаторе с синтезированной апертурой (РСА), использующем квазизеркальный режим отражения радиосигнала морской поверхностью при заданном угле сноса космического аппарата (косо-боковой обзор), включающее приемную антенну, приемное устройство с выходом импульсного радиосигнала на несущей частоте f₀, поступающего на стробирующий каскад и далее на синтезатор азимутальной диаграммы направленности антенны, синхронизатор стробирующего и накапливаемых импульсов, генератор опорного синтезирующего сигнала на несущей частоте f₀ и вычислитель формирования азимутальной строки изображения, выполняющий также функции накопителя заданного числа когерентных импульсов, отличающееся тем, что в него введены генератор непрерывного сигнала на частоте F₀, согласованной с углом сноса аппарата, модулятор сдвига частоты f₀ опорного синтезирующего сигнала на частоту F₀ генератора непрерывного сигнала и частотный дискриминатор, выход модулятора подключен к синтезатору, выход синтезатора к частотному дискриминатору, выход дискриминатора к вычислителю, время и длительность стробирования приемника согласованы с положением зеркальной точки зоны обзора и требуемым интервалом защиты от прямого излучения.