АПЕРТУРНЫЙ СИНТЕЗ, метод получения высокого углового разрешения с помощью синтеза результатов измерений, выполняемых радиоинтерферометром, состоящим из двух малых апертур, перемещающихся в пределах большой апертуры, и корреляционного (перемножающего) приёмника. Результат измерения методом апертурного синтеза аналогичен измерениям с антенной большой апертуры. При апертурном синтезе выполняется большое количество измерений при различных положениях элементов и результаты суммируются с определёнными весами и фазами.

Метод апертурного синтеза предложен в 1952 году М. Райлом, исследовавшим с его помощью радиоструктуру галактик. В 1974 году Райл совместно с Э. Хьюишем были удостоены Нобелевской премии «за новаторские исследования в радиоастрофизике». Наибольшее распространение апертурный синтез получил в радиоастрономии и радиолокации. В радиоастрономии апертурный синтез используется в связи с задачами исследования углового распределения интенсивности излучения радиоисточника с тонкой структурой от угловых минут до долей секунд. Для таких исследований нужны антенны с отношением d/λ (d - линейный размер апертуры, λ - длина волны) порядка 10 3 —10 6 , поэтому для сантиметрового диапазона радиоволн d должно быть порядка сотен метров и более. Естественно, обычные антенны с такой апертурой создать невозможно, поэтому апертуру «синтезируют», проводя измерения в отдельных точках, расположенных внутри этой синтезированной апертуры, и выполняя соответствующую обработку измерений. В результате достигается высокое угловое разрешение.

При использовании метода апертурного синтеза большая антенна разбивается на N элементов. Падающие волны, отразившись от каждого элемента, попадают в фокус антенны в фазе. Поэтому высокочастотное напряжение V(t) в фокусе может быть записано в виде суммы составляющих ΔV i (t) от отдельный элементов:

Мощность Р на выходе приёмника большой антенны пропорциональна среднему значению квадрата напряжения:

Из формулы (2) видно, что результат измерений содержит слагаемые, зависящие от сигналов, получаемых только от пар элементов. Каждое слагаемое может быть измерено с помощью двух малых антенн размером, равным элементу апертуры, находящихся в положениях i и k, и корреляционного (перемножающего) приёмника. Если наблюдаемый участок неба не содержит переменных источников, то такой интерферометр можно использовать для последовательного измерения членов ряда (2).

Отрезок линии восток-запад на поверхности Земли, видимый со стороны удалённого источника, за 12 ч поворачивается на 180°. Если все элементы антенной решётки на этом отрезке следят за источником, то за 12 ч можно синтезировать круглую апертуру в плоскости, перпендикулярной оси вращения Земли, с диаметром, равным длине отрезка. Ширина синтезированной диаграммы в любом направлении обратно пропорциональна проекции апертуры на это направление. Ухудшение разрешающей способности в направлениях, близких к плоскости экватора, устраняется при использовании Т-образной антенной решётки с отрезками, ориентированными в направлениях восток-запад и север-юг (рис.).

Современные системы апертурного синтеза состоят из большого числа полноповоротных антенн и одновременно действующих независимых корреляционных интерферометров, что значительно сокращает время наблюдений. Вращаясь вместе с Землёй, каждый интерферометр измеряет большое число слагаемых ряда (2). Для многоэлементных интерферометров метод апертурного синтеза позволяет синтезировать луч с такой шириной, которая может быть получена с апертурой, имеющей размеры, сравнимые с размерами антенной решётки.

Для более полного извлечения информации из результатов измерений используются априорные сведения о яркости неба. Такая априорная информация позволяет применять системы далеко разнесённых антенн, а также строить карты неба, используя только амплитудные измерения, когда сведения о фазе ненадёжны или отсутствуют.

Первые работы с использованием для апертурного синтеза небольших подвижных антенн были выполнены в Кембридже (Великобритания) в 1954 году. В Сиднее (Австралия) в 1956 году впервые использовалось вращение Земли для синтеза двумерной решётки с помощью линейной. Наиболее известная система апертурного синтеза - антенная решётка VLA (Very Large Array) в штате Нью-Мексико (США), завершена в 1981 году. Она состоит из 27 полноповоротных параболоидов диаметром 25 м каждый, которые могут перемещаться вдоль трёх 21-километровых рельсовых путей, проложенных в виде буквы Y. Угловое разрешение этой системы на длине волны 1,3 см составляет 0,05".

Метод апертурного синтеза используется также в интерферометрах, образованных антеннами, разнесёнными на сотни и тысячи километров (радиоинтерферометры со сверхдлинными базами). Это позволяет синтезировать апертуры, сравнимые с размерами Земли, и получать угловое разрешение порядка 0,001", намного превосходящее достигнутое в оптической астрономии. В перспективе - создание апертур Земля-космос, часть элементов которых будет размещена на космических аппаратах (проект «Радиоастрон», Россия).

Лит.: Kraus J.D. Radio astronomy. 2nd ed. Powell, 1986; Христиансен У., Хёгбом И. Радиотелескопы. М., 1988.

Капитан М. Виноградов,
кандидат технических наук

Современные радиолокационные средства, устанавливаемые на самолетах и космических аппаратах, в настоящее время представляют один из наиболее интенсивно развивающихся сегментов радиоэлектронной техники. Идентичность физических принципов, лежащих в основе построения этих средств, делает возможным рассмотрение их в рамках одной статьи. Основные различия между космическими и авиационными РЛС заключаются в принципах обработки радиолокационного сигнала, связанными с различным размером апертуры, особенностями распространения радиолокационных сигналов в различных слоях атмосферы, необходимостью учета кривизны земной поверхности и т. д. Несмотря на подобного рода различия, разработчики РЛС с синтезированием апертуры (РСА) прилагают все усилия для того, чтобы добиться максимальной схожести возможностей данных средств разведки.

В настоящее время бортовые РЛС с синтезированием апертуры позволяют решать задачи видовой разведки (вести съемку земной поверхности в различных режимах), селекции мобильных и стационарных целей, анализа изменений наземной обстановки, осуществлять съемку объектов, скрытых в лесных массивах, обнаружение заглубленных и малоразмерных морских объектов.

Основным назначением РСА является детальная съемка земной поверхности.

Рис. 1. Режимы съемки современных РСА (а — детальный, б - обзорный, в - сканирующий)	Рис. 2. Примеры реальных радиолокационных изображений с разрешениями 0,3 м (вверху) и 0,1 м (внизу)
Рис. 3. Вид изображений при разных уровнях детализации
Рис. 4. Примеры фрагментов реальных участков земной поверхности, полученных при уровнях детализации DTED2 (слева) и DTED4 (справа)

За счет искусственного увеличения апертуры бортовой антенны, основной принцип которого заключается в когерентном накоплении отраженных радиолокационных сигналов на интервале синтезирования, удается получить высокое разрешение по углу. В современных системах разрешение может достигать десятков сантиметров при работе в сантиметровом диапазоне длин волн. Аналогичные значения разрешения по дальности достигаются за счет применения внутриимпульсной модуляции, например, линейно-частотной модуляции (ЛЧМ). Интервал синтезирования апертуры антенны прямо пропорционален высоте полета носителя РСА, что обеспечивает независимость разрешения съемки от высоты.

В настоящее время существуют три основных режима съемки земной поверхности: обзорный, сканирующий и детальный (рис. 1). В обзорном режиме съемка земной поверхности осуществляется непрерывно в полосе захвата, при этом разделяют боковой и переднебоковой режим (в зависимости от ориентации главного лепестка диаграммы направленности антенны). Накопление сигнала осуществляется в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС. Сканирующий режим съемки отличается от обзорного тем, что съемка ведется на всей ширине полосы обзора, полосами равными ширине полосы захвата. Данный режим используется исключительно в РЛС космического базирования. При съемке в детальном режиме накопление сигнала осуществляется на увеличенном по сравнению с обзорным режимом интервале. Увеличение интервала осуществляется за счет синхронного с движением носителя РЛС перемещения главного лепестка диаграммы направленности антенны таким образом, чтобы облучаемый участок постоянно находился в зоне съемки. Современные системы позволяют получать снимки земной поверхности и расположенных на ней объектов с разрешениями порядка 1 м для обзорного и 0,3 м для детального режимов. Компания «Сандия» анонсировала создание РСА для тактических БЛА, имеющего возможность вести съемку с разрешением 0,1 м в детальном режиме. Существенное значение на результирующие характеристики РСА (в плане съемки земной поверхности) оказывают применяемые методы цифровой обработки принятого сигнала, важной составляющей которых являются адаптивные алгоритмы коррекции траекторных искажений. Именно невозможность выдерживать в течение длительного времени прямолинейную траекторию движения носителя не позволяет получать в непрерывном обзорном режиме съемки разрешения сопоставимые с детальным режимом, хотя никаких физических ограничений на разрешение в обзорном режиме не существует.

Режим инверсного синтезирования апертуры (ИРСА) позволяет осуществлять синтезирование апертуры антенны не за счет движения носителя, а за счет движения облучаемой цели. При этом речь может идти не о поступательном движении, характерном для наземных объектов, а о маятниковом движении (в разных плоскостях), характерном для плавучих средств, раскачивающихся на волнах. Данная возможность определяет основное назначение ИРСА - обнаружение и идентификация морских объектов. Характеристики современных ИРСА позволяют уверенно обнаруживать даже малоразмерные объекты, такие как перископы подводных лодок. Вести съемку в данном режиме имеют возможность все самолеты, состоящие на вооружении ВС США и других государств, в задачи которых входит патрулирование береговой зоны и акваторий. Получаемые в результате съемки изображения по своим характеристикам аналогичны изображениям, получаемым в результате съемки с прямым (неинверсным) синтезированием апертуры.

Режим интерферометрической съемки (Interferometric SAR - IFSAR) позволяет получать трехмерные изображения земной поверхности. При этом современные системы имеют возможность вести одноточечную съемку (то есть использовать одну антенну) для получения трехмерных изображений. Для характеристики данных изображений помимо обычного разрешения вводится дополнительный параметр, называемый точность определения высоты, или разрешение по высоте. В зависимости от значения данного параметра определяют несколько стандартных градаций трехмерных изображений (DTED - Digital Terrain Elevation Data):
DTEDO.............................. 900 м
DTED1.............................. 90m
DTED2............................ 30m
DTED3.............................. 10m
DTED4............................ Зм
DTED5.............................. 1m

Вид изображений урбанизированной территории (модель), соответствующий различным уровням детализации, представлен на рис. 3.

Уровни 3-5 получили официальное название «данных с высоким разрешением» (HRTe-High Resolution Terrain Elevation data). Определение местоположения наземных объектов на изображениях уровня 0-2 ведется в системе координат WGS 84, отсчет высоты осуществляется относительно нулевой отметки. Система координат изображений с высоким разрешением в настоящий момент не стандартизирована и находится на стадии обсуждения. На рис. 4 представлены фрагменты реальных участков земной поверхности, полученные в результате стереосъемки с различным разрешением.

В 2000 году американский МТКК «Шаттл» в рамках проекта SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), целью которого являлось получение картографической информации крупных масштабов, выполнил интерферометрическую съемку экваториальной части Земли в полосе от 60° с. ш. до 56° ю. ш., получив на выходе трехмерную модель земной поверхности в формате DTED2. Для получения детальных трехмерных данных в США разрабатывается проект NGA HRTe? в рамках которого будут доступны изображения уровней 3-5.
Помимо радиолокационной съемки открытых участков земной поверхности, бортовая РЛС имеет возможность получать изображения сцен, скрытых от глаз наблюдателя. В частности, она позволяет обнаруживать объекты, скрытые в лесных массивах, а также, находящиеся под землей.

Проникающая РЛС (GPR, Ground Penetrating Radar) - система дистанционного зондирования, принцип действия которой основан на обработке сигналов, отраженных от деформированных или отличающихся по своему составу участков, находящихся в однородном (или относительно однородном) объеме. Система зондирования земной поверхности позволяет обнаруживать находящиеся на различной глубине пустоты, трещины, заглубленные объекты, выявлять участки различной плотности. При этом энергия отраженного сигнала сильно зависит от поглощающих свойств почвы, размеров и формы цели, степени неоднородности граничных областей. В настоящее время GPR помимо военно-прикладной направленности развился в коммерчески выгодную технологию.

Зондирование земной поверхности происходит путем облучения импульсами с частотой 10 МГц - 1,5 ГГц. Облучающая антенна может находиться на земной поверхности или расположена на борту летательного аппарата. Часть энергии облучения отражается от изменений в подповерхностной структуре земли, большая же часть проникает дальше в глубину. Отраженный сигнал принимается, обрабатывается, и результаты обработки отображаются на дисплее. При движении антенны генерируется непрерывное изображение, отражающее состояние подповерхностных слоев почвы. Так как фактически отражение происходит из-за различия ди-электрических проницаемо-стей различных веществ (или разных состояний одного вещества), то зондированием можно выявлять большое количество естественных и искусственных дефектов в однородной массе подповерхностных слоев. Глубина проникновения зависит от состояния почвы на месте облучения. Уменьшение амплитуды сигнала (поглощение или рассеяние) в значительной мере зависит от ряда свойств почвы, основное из которых - ее электропроводность. Так, оптимальными для зондирования являются песчаные почвы. Гораздо менее пригодны для этого глинистые и очень влажные почвы. Хорошие результаты показывает зондирование сухих материалов, таких как гранит, известняк, бетон.

Разрешениепризондированииможетбыть улучшено за счет повышения частоты излучаемых волн. Однако увеличение частоты отрицательно сказывается на глубине проникновения излучения. Так, сигналы с частотой 500-900 МГц могут проникать на глубину 1-3 м и обеспечивают разрешение до 10 см, а с частотой 80-300 МГц проникают на глубину 9-25 м, но разрешение составляет порядка 1,5 м.

Основным военным назначением РЛС подповерхностного зондирования является обнаружение заложенных мин. При этом РЛС, установленная на борту летательного аппарата, например вертолета, позволяет непосредственно вскрывать карты минных полей. На рис. 5 представлены изображения, полученные с помощью РЛС, установленной на борту вертолета, отражающие расположение противопехотных мин.

Бортовая РЛС, предназначенная для обнаружения и слежения за объектами, скрытыми в лесных массивах (FO-PEN - FOliage PENetrating), позволяет обнаруживать малоразмерные объекты (движущиеся и стационарные), скрытые кронами деревьев. Съемка объектов, скрытых в лесных массивах, ведется аналогично обычной съемке в двух режимах: обзорном и детальном. В среднем в обзорном режиме ширина полосы захвата составляет 2 км, что позволяет получать на выходе изображения участков земной поверхности 2x7 км; в детальном режиме съемка осуществляется участками 3х3 км. Разрешение съемки зависит от частоты и варьируется от 10 м при частоте 20-50 МГц до 1 м при частоте 200-500 МГц.

Современные методы анализа изображений позволяют с достаточно высокой вероятностью обнаруживать и производить последующую идентификацию объектов на полученном радиолокационном изображении. При этом обнаружение возможно на снимках как с высоким (менее 1 м), так и с низким (до 10 м) разрешением, в то время как для распознавания требуются изображения с достаточно высоким (порядка 0,5 м) разрешением. И даже в этом случае можно говорить в большей части только о распознавании по косвенным признакам, поскольку геометрическая форма объекта очень сильно искажена из-за наличия сигнала, отраженного от лиственного покрова, а также вследствие появления сигналов со смещением частоты за счет доплеровского эффекта, возникающего в результате колебания листвы на ветру.

На рис. 6 представлены изо-бражения (оптическое и радиолокационное) одного и того же участка местности. Объекты (колонна машин), невидимые на оптическом изображении, хорошо видны на радиолокационном, однако осуществить идентификацию данных объектов, абстрагировавшись от внешних признаков (движение по дороге, расстояние между машинами и т. д.), невозможно, так как при данном разрешении информация о геометрической структуре объекта отсутствует полностью.

Детальность получаемых радиолокационных изображений позволила реализовать на практике еще ряд особенностей, которые, в свою очередь, сделали возможным решение ряда важных практических задач. К одной из таких задач относится отслеживание изменений, произошедших на некотором участке земной поверхности за определенный период времени - когерентное детектирование. Длительность периода обычно определяется периодичностью патрулирования заданного района. Отслеживание изменений осуществляется на основе анализа покоординатно совмещенных изображений заданного района, полученных последовательно друг за другом. При этом возможны два уровня детализации анализа.

Рис 5. Карты минных полей в трехмерном представлении при съемке в различных поляризациях: модель (справа), пример изображения реального участка земной поверхности со сложной подповерхностной обстановкой (слева), полученного с помощью РЛС, установленной на борту вертолета
Рис. 6. Оптическое (вверху) и радиолокационное (внизу) изображения участка местности с движущейся по лесной дороге колонной автомобилей

Первый уровень предполагает обнаружение значительных изменений и основывается на анализе амплитудных отсчетов изображения, несущих основную визуальную информацию. Чаще всего в эту группу относятся изменения, которые сможет увидеть человек, просматривая одновременно два сформированных радиолокационных изображения. Второй уровень базируется на анализе фазовых отсчетов и позволяет выявлять изменения, невидимые человеческому глазу. К таковым можно отнести появление следов (машины или человека) на дороге, изменение состояния окон, дверей («открыто - закрыто») и т. д.

Другой интересной возможностью РСА, также анонсированной компанией «Сандия», является радиолокационная видеосъемка. В данном режиме дискретное формирование апертуры антенны от участка к участку, характерное для непрерывного обзорного режима, заменено на параллельное многоканальное формирование. То есть в каждый момент времени синтезируется не одна, а несколько (количество зависит от решаемых задач) апертур. Своего рода аналогом количества формируемых апертур является частота кадров в обычной видеосъемке. Данная возможность позволяет реализовывать селекцию движущихся целей на базе анализа полученных радиолокационных изображений, применяя принципы когерентного детектирования, что является по своей сути альтернативой стандартным РЛС, осуществляющим селекцию движущихся целей на основе анализа до-плеровских частот в принятом сигнале. Эффективность реализации подобных селекторов движущихся целей весьма сомнительна ввиду значительных аппаратно-программных затрат, поэтому подобные режимы с большой вероятностью так и останутся не более чем изящным способом решения задачи селекции, несмотря на открывающиеся возможности селектировать цели, движущиеся с очень низкими скоростями (менее 3 км/ч, что недоступно доплеровским СДЦ). Непосредственно видеосъемка в радиолокационном диапазоне в настоящее время также не нашла применения, опять же из-за высоких требований к быстродействию, поэтому действующих образцов военной техники, реализующих на практике данный режим, нет.

Логическим продолжением совершенствования техники съемки земной поверхности в радиолокационном диапазоне является развитие подсистем анализа полученной информации. В частности, важное значение приобретает разработка систем автоматического анализа радиолокационных изображений, позволяющих обнаруживать выделять и распознавать наземные объекты, попавшие в зону съемки. Сложность создания подобных систем связана с когерентной природой радиолокационных изображений, явления интерференции и дифракции в которых приводят к появлению артефактов - искусственных бликов, аналогичных тем, которые появляются при облучении цели с большой эффективной поверхностью рассеяния. Кроме того, качество радиолокационного изображения несколько ниже, чем качество аналогичного (по разрешению) оптического изображения. Все это приводит к тому, что эффективных реализаций алгоритмов распознавания объектов на радиолокационных изображениях в настоящее время не существует, но количество работ, проводимых в данной области, определенные успехи, достигнутые в последнее время, позволяют предположить, что в недалеком будущем можно будет вести речь об интеллектуальных беспилотных разведывательных аппаратах, имеющих возможность производить оценку наземной обстановки по результатам анализа информации, полученной собственными бортовыми средствами радиолокационной разведки.

Другим направлением развития является комплексирование, то есть согласованное объединение с последующей совместной обработкой, информации от нескольких источников. Это могут быть РЛС, ведущие съемку в различных режимах, либо РЛС и другие средства разведки (оптические, ИК, многоспектральные и т. п.).

Таким образом, современные РЛС с синтезированием апертуры антенны позволяют решать широкий спектр задач, связанных с ведением радиолокационной съемки земной поверхности независимо от времени суток и погодных условий, что делает их важным средством добывания информации о состоянии земной поверхности и находящихся на ней объектах.

Зарубежное военное обозрение №2 2009 С.52-56

Проблема радикального повышения разрешающей способности в направлении, перпендикулярном оси ДНА, особенно актуальна для РЛС обзора поверхности под летательным или космическим аппаратом, поскольку в направлении оси ДНА достижимо очень высокое разрешение при соответствующем расширении спектра сигнала РЛС. Если излучение антенны направлено перпендикулярно вектору скорости РЛС, т. е. осуществляется боковой обзор, то перемещение антенны относительно облучаемой поверхности позволяет получить при оптимальной обработке отраженных сигналов очень высокое разрешение и в направлении, перпендикулярном оси ДНА. Таким образом решается задача получения радиолокационного изображения высокой четкости.

Повышение разрешения при боковом обзоре можно рассматривать как результат сжатия ДНА при оптимальной обработке (аналогично сжатию импульса с внутриим-пульсной модуляцией) или как формирование диаграммы синтезированной антенной решеткой, образующейся при перемещении антенны РЛС относительно облучаемой поверхности.

Рассмотрим принцип действия и потенциальные возможности самолетной РЛС бокового обзора. Антенна станции вытянута вдоль оси самолета и формирует ДНА, узкую в горизонтальной и широкую в вертикальной плоскости, ориентированную перпендикулярно оси самолета. Обычно создаются две идентичных ДНА по обе стороны оси самолета, что в данном случае несущественно.

При длине волны излучаемых РЛС колебаний и продольном размере антенны ширина ДНА в горизонтальной плоскости . Считая для простоты излучение ограниченным в горизонтальной плоскости углом , найдем время облучения точки поверхности на расстоянии D от РЛС:

где - скорость самолета, которая считается постоянной; - линейная ширина ДНА на расстоянии D от РЛС. Радиальная составляющая скорости относительно точек облучаемой поверхности (рис. 18.7,а), где - угол между осью ДНА в горизонтальной плоскости и направлением на рассматриваемую точку . Таким образом, на оси ДНА , а на краях достигает максимального значения . Так как в РЛС бокового обзора применяются узкие ДНА, то можно считать . За счет радиальной составляющей скорости возникает доплсровский сдвиг частоты отраженного сигнала, изменяющийся по линейному закону от до . Таким образом, при пролете расстояния принимается частотно-модулированный импульс длительностью (рис. 18.7,б) с девиацией частоты .

При оптимальной согласованной обработке такой импульс может быть сжат до импульса длительностью, обратной ширине спектра сигнала и приближенно равной . Следовательно, . Так как , то . Заметим, что на выходе сжимающего фильтра огибающая импульса имеет форму и его длительность (измеряемая на уровне 0,64 максимального значения) определяет предельное разрешение по времени, которое соответствует расстоянию , разрешаемому в направлении вектора V, перпендикулярном оси ДНА.

Следовательно, при когерентной обработке разрешаемое расстояние не зависит от дальности и ограничено значением, равным . Этот вывод, сначала кажущийся парадоксальным, становится понятным при анализе разрешающей способности РЛС бокового обзора с точки зрения синтезирования раскрыва.

Если все отраженные сигналы на протяжении когерентно (т. е. с учетом фазы) суммировать, то можно сформировать (синтезировать) ДНА шириной

причем коэффициент 2 учитывает набег фазы при прохождении сигналом расстояния D «туда и обратно».

Разрешаемое по направлению полета (перпендикулярно оси ДНА) расстояние

Отрезок пути L, на котором производится когерентное суммирование отраженных сигналов, определяет размер синтезированного раскрыва , так как такое суммирование аналогично приему сигнала на сннфазную антенну с размером раскрыва, равным . Отсюда становится ясно, почему разрешаемое расстояние снижается, т. е. разрешение растет при уменьшении раскрыва реальной антенны и не зависит от D. Это объясняется увеличением синтезированного раскрыва прямо пропорционально ширине ДНА РЛС и дальности рассматриваемой точки .

Однако с увеличением растут и трудности обеспечения когерентности при обработке сигналов. Поэтому антенны РЛС бокового обзора для получения малых значений должны иметь значительные размеры раскрыва , что позволяет реализовать когерентную обработку, обеспечивающую приближение к потенциальной разрешающей способности системы с синтезированным раскрывом, определяемой формулой (18.27).

При переходе от непрерывного сигнала к импульсному с периодом синтезированная антенна аналогична антенной решетке, расстояния между элементами которой равны . В РЛС бокового обзора обычно применяется импульсное излучение, поэтому такие РЛС называют станциями с синтезированной антенной решеткой.

С излучением каждого импульса антенна РЛС становится элементом синтезированной решетки, дальность которого от рассматриваемой точки поверхности равна кратчайшему расстоянию (рис. 18.7, а) только в тот момент, когда рассматриваемая точка оказывается на оси ДНА. На краях синтезированной решетки расстояние отличается от на

Этой разности расстояний соответствует максимальная азовая задержка сигнала . Если в процессе полета изменяющиеся фазовые задержки фиксируются и учитываются при обработке, то синтезированные решетки называются фокусированными. Система обработки сигнала в этом случае получается сложной, поэтому необходимо выяснить, к каким потерям разрешающей способности приводит отказ от «фокусировки», т. е. переход к нефокусированной обработке без учета фазовых сдвигов. В этом случае допустима разность хода на концах синтезированного раскрыва , что соответствует максимальному фазовому сдвигу . Из этого условия можно найти размер эффективного раскрыва синтезированной антенны. Из рис. 18.7, в видно, что и, следовательно,

Таким образом, при отсутствии фокусировки ширина ДНА синтезированного раскрыва размером , а соответствующее линейное разрешение

Для обработки сигнала без коррекции (фокусировки) пригоден обычный экспоненциальный накопитель с линией задержки на период повторения импульсов . Ясно, что названия фокусированная и сированная системы появились по аналогии с оптической системой, в которой при полностью открытой диафрагме необходима фокусировка объектива (наводка на резкость).

При сильном диафрагмировании достаточная четкость (резкость) обеспечивается без фокусировки при постоянной установке объектива на бесконечность.

Следовательно, при фокусированной обработке сигнала (фокусированный раскрыв) достижимо максимальное линейное разрешение в направлении, перпендикулярном ДНА, независимо от дальности при нефокуси-рованной обработке (нефокусированный раскрыв) для обычной антенны с размером раскрыва разрешение .

Зависимость разрешающей способности от дальности D для этих случаев представлена на рис. 18.8.

Таким образом, для полной реализации потенциальных возможностей синтезированной антенны необходима обработка сигнала с внесением фазовых поправок в соответствии с положением рассматриваемой точки относительно антенны РЛС. В импульсных РЛС сигнал повторяется с периодом и поправки вводятся дискретно в моменты времени , отсчитываемые от времени приема среднего импульса, отраженного в тот момент времени, когда данная точка находится на траверсе пролетающего самолета.

Согласованный фильтр для сигнала точечной цели при известной дальности и скорости РЛС относительно цели соответствует схеме когерентного фильтра для пачки импульсов, при этом амплитуды импульсов умножаются на весовые коэффициенты и смещаются по фазе на значение поправки . Такая обработка (фокусировка) требуется для каждого элемента дальности, т. е. необходим фильтр для каждой дальности (дискретность зависит от разрешающей способности по дальности, определяемой шириной спектра сигнала), причем параметры фильтра должны изменяться при изменении скорости перемещения РЛС.

Требования к устройству обработки задаются прежде всего временем синтезирования, равным в фокусированных системах . Так, при скорости самолета , заданном разрешении на дальности при работе РЛС на волне требуемый размер синтезированной апертуры . В этом случае . При частоте повторения импульсов число суммируемых при обработке сигналов для каждого элемента дальности, число которых в полосе обзора по дальности может достигать . Число уровней квантования определяет разрядность устройства обработки . Таким образом, общий объем обрабатываемой информации . При наличии квадратурных каналов значение удваивается и имеет порядок 108 бит. С учетом коррекции фазы в каждом периоде повторения требумое быстродействие обработки в подобных системах достигает .

Несмотря на относительную сложность, цифровая реализация устройств обработки при использовании современной элементной базы возможна, особенно при осуществлении обработки на видеочастоте. Достоинством цифровой обработки является возможность получения изображения местности под самолетом или спутником в реальном времени.

Если допустима задержка при получении изображения (например, при картографировании), то целесообразно применять оптические методы обработки сигналов при синтезировании раскрыва, поскольку оптические устройства обеспечивают многоканальную когерентную обработку сигналов сразу для всех элементов дальности.

Принцип обработки заключается в следующем. Принимаемые сигналы фиксируются на фотопленке, протягиваемой со скоростью, пропорциональной скорости самолета V, при этом строки дальности располагаются поперек пленки. На определенном расстоянии от начала каждой строки, пропорциональном дальности рассматриваемой точки D, записываются отраженные сигналы в течение времени запись в продольном направлении (вдоль пленки) в соответствующем масштабе передает распределение сигналов вдоль синтезируемого раскрыва .

После проявления (время проявления и определяет задержку в обработке) пленка протягивается перед окном оптического устройства, одновременно облучаясь однородным когерентным световым пучком. Плоская световая волна, проходя через пленку, модулируется по амплитуде и фазе записанным сигналом. Размеры пятна, полученного на оптическом экране или другой фотопленке на выходе оптического фильтра, соответствуют ширине диаграммы направленности синтезированной антенны , которая во много раз меньше ширины диаграммы направленности реальной антенны . Подбором параметров элементов (линз) оптического фильтра можно обеспечить когерентную обработку и получить высокую четкость синтезированного радиолокационного изображения. Именно с помощью РЛС бокового обзора с синтезированием раскрыва, расположенной на искусственном спутнике Венеры, советским исследователям удалось получить четкое радиолокационное изображение этой планеты, закрытой для оптического наблюдения.

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЕ X

УДК 621.396.96

НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ РЛС С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ

О. Л. Полончик,

канд. техн. наук, доцент

Северный (Арктический) федеральный университет им. М. В. Ломоносова, г. Архангельск

Проанализированы основные направления развития радиолокационных систем контроля земной поверхности космического базирования. Определена предметная область использования радиолокационных технических средств, в том числе и для решения прикладных задач развития экономики северных и арктических регионов России. Выполнена сравнительная оценка существующих способов обзора земной поверхности. Предлагается новый метод построения бортовых радиолокационных систем на базе космических аппаратов со стабилизацией вращением. Рассмотрены пути улучшения технических характеристик бортового радиолокатора.

Ключевые слова - РЛС бокового обзора, диаграмма направленности, механическое сканирование, синтезирование апертуры.

Введение

Современные бортовые радиолокационные средства представляют одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений радиоэлектронной техники. Особое место среди них занимают бортовые радиолокаторы с синтезированием апертуры. Данные технические средства производят зондирование земной поверхности в любое время суток, сезона и года, не зависят от климатических условий и наличия облачности, что особенно важно для районов с незначительным количеством солнечных дней в году. В Российской Федерации к ним относятся обширные площади на севере страны и в Арктике, составляющие почти третью часть территории нашего государства, очень богатую разнообразными полезными ископаемыми, нефтью и газом.

Решение важнейших народнохозяйственных задач, таких как высокоточная оценка рельефа местности, формирование трехмерных изображений земной поверхности, исследование динамических процессов на земной и морской поверхности, возлагается на перспективные средства дистанционного зондирования Земли .

Особенно актуальным для решения задач устойчивого развития северных и арктических регионов является получение материалов радиолокационной съемки с высокими измерительными свойствами, обеспечивающих создание и обновление государственных топографических карт,

планов и картографической основы государственного кадастра недвижимости.

Получение информации о состоянии этих районов представляет задачу исключительной важности и позволит минимизировать материальные потери.

История развития радиолокационных средств дистанционного зондирования Земли

Развитие бортовых радиолокационных станций (РЛС) привело к созданию радиолокационных систем кругового обзора, основным недостатком которых была низкая разрешающая способность. Дальнейшие исследования по совершенствованию РЛС обзора земной поверхности были направлены на преодоление основного ограничения в увеличении разрешающей способности, связанного с размерами антенных устройств.

Детальность радиолокационного изображения зависит от линейной разрешающей способности (разрешающей способности по дальности) радиолокатора, которая в радиальном направлении определяется зондирующим сигналом, в поперечном направлении (тангенциальная разрешающая способность) - шириной диаграммы направленности (ДН) и расстоянием до цели.

Задача увеличения разрешающей способности по дальности решается использованием зондирующих сигналов с малой длительностью им-

Летательный аппарат

пульсов или переходом к сложным сигналам - частотно-модулированным либо фазоманипули-рованным.

Повышение тангенциальной разрешающей способности достигается применением в бортовом радиолокаторе антенны, расположенной вдоль фюзеляжа самолета, или синтезированием апертуры антенны при движении летательного аппарата.

Первый путь привел к разработке радиолокаторов бокового обзора . Схема реализации метода представлена на рис. 1. В таких радиолокаторах тангенциальная разрешающая способность тем выше, чем больше продольный размер фюзеляжа летательного аппарата, хотя зависимость от дальности сохраняется.

Разрешающая способность у РЛС этого типа была увеличена примерно в 10 раз по сравнению с панорамными РЛС кругового обзора. И все же эти станции по своим возможностям еще существенно уступают оптическим устройствам.

Вторым, более кардинальным путем является создание радиолокаторов с синтезированием апертуры (РСА) при поступательном движении летательного аппарата.

Огромный вклад в развитие теории РСА внесли известные отечественные ученые А. П. Реутов, Г. С. Кондратенков, П. И. Дудник, Ю. Л. Феоктистов, Н. И. Буренин, Ю. А. Мельник, В. А. Поте-хин и др.

Радиолокаторы с синтезированием апертуры

Сущность метода заключается в излучении РЛС, установленной на подвижном носителе (самолете, космическом аппарате (КА) или беспилотном летательном аппарате), когерентных зондирующих сигналов, приеме соответствующих отраженных сигналов вдоль прямолинейной траектории полета носителя, их запоминании и сложении. В результате сложения принимаемых

сигналов осуществляется сжатие антенного луча и существенно повышается разрешающая способность РЛС вдоль линии пути носителя.

В зависимости от того, компенсируются или нет фазовые набеги при суммировании сигналов, различают фокусированные и несфокусированные РСА. В первом случае обработка сводится к перемещению антенны, запоминанию сигналов, компенсации фазовых набегов и суммированию сигналов, во втором - к тем же операциям, но без компенсации фазовых набегов.

Потенциальная разрешающая способность таких станций приближается к характеристикам оптических средств наблюдения. Эти РЛС дают возможность реализовать высокую линейную разрешающую способность, независимую от дальности наблюдения и длины волны зондирующего сигнала.

В настоящее время существуют три основных режима съемки земной поверхности (рис. 2): маршрутный, обзорный и прожекторный (детальный) .

Современные системы позволяют получать снимки земной поверхности и расположенных на ней объектов с разрешениями порядка 1 м для обзорного и 0,3 м для прожекторного режимов. Существенное влияние на результирующие характеристики РСА оказывают применяемые методы цифровой обработки принятого сигнала .

В маршрутном режиме съемка земной поверхности производится непрерывно в полосе захвата. Сигнал накапливается в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС.

Обзорный режим съемки отличается от маршрутного тем, что съемка непрерывно ведется на всей ширине полосы обзора полосами, равными ширине полосы захвата. Шесть лучей последовательно переключаются по углу места для просмотра всей полосы обзора (рис. 3).

Разделяют боковой и переднебоковой режим в зависимости от ориентации главного лепестка

Прожекторный

ДН антенны. Накопление сигнала осуществляется в течение времени, равного расчетному интервалу синтезирования апертуры антенны для данных условий полета носителя РЛС.

При съемке в прожекторном режиме накопление сигнала происходит на увеличенном, по сравнению с обзорным режимом, интервале. Расширение интервала достигается перемещением главного лепестка ДН антенны, а облучаемый участок постоянно находится в зоне съемки. Это перемещение синхронизировано с движением носителя РЛС.

Для удержания пятна ДН на одном и том же участке поверхности четыре луча последовательно переключаются по азимуту (рис. 4).

Таким образом, анализ основных режимов съемки земной поверхности методом РСА показывает, что:

1) при методе бокового обзора максимальная ширина полосы просматриваемой подстилающей поверхности аналогична ширине просмотра;

2) увеличение линейной разрешающей способности в прожекторном режиме достигается увеличением апертуры, при этом просматриваемая полоса сужается;

3) увеличение линейной разрешающей способности в обзорном режиме осуществляется применением совокупности узконаправленных ДН.

Минимальная линейная разрешающая способность по азимуту 8хш1п для антенн с несфокусированным искусственным раскрывом определяется соотношением

Линейное разрешение по азимуту РЛС с фокусированным искусственным раскрывом определяется выражением

5х - ©Я0 - ^,

где йа - размер раскрыва антенны в заданной плоскости.

Радиолокационная станция с фокусированным искусственным раскрывом позволяет получить, в отличие от несфокусированного, линейное разрешение по азимуту, не зависящее от дальности и длины волны зондирующего сигнала. Разрешающая способность таких РЛС увеличивается с уменьшением размера реальной антенны. Это является существенным преимуществом РСА по сравнению с другими методами зондирования земной поверхности.

Радиолокаторы бокового обзора. Основные соотношения

Определение местоположения цели при боковом обзоре производится в системе координат: путевая дальность х, наклонная дальность Я.

При боковом обзоре ДН антенны перпендикулярна вектору путевой скорости носителя. Определение положения целей на местности осуществляется в прямоугольной системе координат хЯ. Зона обзора представляет собой полосу, параллельную траектории полета носителей (рис. 5, а). Ширина полосы определяется дальностью действия РЛС.

Возможна ориентация ДН антенны под углом к вектору путевой скорости, отличном от л/2.

■ Рис. 4. Прожекторный режим

■ Рис. 5. Схема бокового обзора в прямоугольной (а) и косоугольной (б) системе координат

При этом сужается зона обзора, цели могут обнаруживаться с упреждением (рис. 5, б). В этом случае обзор местности осуществляется в косоугольной системе координат.

Известно, что разрешающая способность РЛС обзора земной поверхности по горизонтальной дальности непосредственно под носителем ухудшается по сравнению с предельной, определяемой длительностью зондирующего импульса . Поэтому за ближайшую границу полосы обзора, где разрешающая способность по дальности ухудшается несущественно, обычно принимают высоту полета носителя.

Метод описывается следующими характеристиками:

Временем облучения;

Дальностью радиолокационного обнаружения;

Разрешающей способностью.

Время облучения

Ттйё _ Щ ’

где © - угловая ширина ДН антенны РЛС в горизонтальной плоскости; W - проекция скорости по направлению пути.

Характерной чертой метода бокового обзора является одноразовое облучение целей. При направлении наблюдения, перпендикулярном вектору путевой скорости, изображение формируется только на траверзе траектории полета.

Второй чертой является увеличение времени облучения цели пропорционально дальности. Это приводит к тому, что энергия отраженных от целей сигналов возрастает с увеличением дальности цели.

Определим дальность радиолокационного обнаружения для случая бокового обзора.

Известно, что дальность обнаружения цели (фона местности) Д0 с эффективной отражающей поверхностью ст при использовании одной приемопередающей антенны имеет вид

64л к0кГоц

где Э - энергия облучения цели; в - коэффициент направленного действия антенны; X - длина волны передатчика РЛС; £ш - коэффициент шума приемного устройства; £ - постоянная Больцмана; Т0 - абсолютная температура (обычно 280 К); "Л = Эс тт/^ш - требуемое значение коэффициента различимости приемного устройства РЛС. Здесь Эс т1п - пороговое значение энергии принимаемого отраженного сигнала, характеризующее чувствительность приемного устройства РЛС; Ыш - спектральная плотность шума на входе приемника: Ыш = £ш£Т0.

Энергия облучения цели (элемента местности) определяется соотношением

V - £Пэ^таё>

где Рср - средняя мощность излучаемого сигнала.

С учетом соотношения для энергии облучения цели получаем формулу для дальности в методе бокового обзора

Рпа©0С2стХ2

64л 1Ак0к7О"п

Анализ выражения показывает наличие возможности увеличить радиус дальности действия рассмотренного метода по сравнению с круговым обзором.

РЛС кругового обзора с синтезированием апертуры на базе КА со стабилизацией вращением. Основные соотношения

Для реализации такого метода просмотра земной поверхности необходимы КА со стабилизацией вращением, РЛС с параболической антенной. ДН антенны имеет относительно местной вертикали угол наклона.

Антенна РЛС за счет кругового вращения корпуса КА, к которому она жестко прикреплена, сканирует подстилающую земную поверхность. Вид проекции ДН антенны в азимутальной и угломестной плоскости на земную поверхность представлен на рис. 6 и 7.

Энергетика РЛС в методе лучше по сравнению с РСА, так как используется более узкая ДН смещенной антенны. Она определяется выбором минимального и максимального угла места наклона ДН антенны.

Рассмотрим положение антенны РЛС в различные моменты времени (рис. 8). Антенна при

Проекция ДН антенны

■ Рис. 6. Вид проекций ДН антенны РЛС на земную поверхность в азимутальной плоскости: Оа - угловая скорость вращения антенны РЛС КА в азимутальной плоскости; Ятах - максимальное расстояние до цели Ц^ V - скорость движения КА

■ Рис. 7. Просмотр полосы обзора антенной РЛС КА

■ Рис. 8. Положения антенны РЛС КА в плоскости вращения в различные моменты времени с учетом поступательного движения и вращения: I - расстояние, которое пролетает КА за полпериода вращения

вращении вокруг местной вертикали с учетом путевой скорости последовательно занимает эти положения (точки 1, 2, 3 и т. д.). Радиус вращения антенны незначителен (порядка нескольких метров). КА движется с первой космической скоростью, и кривая движения антенны превращается практически в прямую за временной промежуток, равный половине периода вращения.

В каждой точке этой кривой электрическая ось антенны будет перпендикулярна к ней. Появляется возможность синтезировать искусственную апертуру.

Местоположение определяется в полярной системе координат. Измеряются дальность R и азимут ß. Высота полета H и угол места у определяются. Азимут цели отсчитывается от направления движения (см. рис. 6).

Радиолокационное наблюдение производят в определенной области пространства, которая называется рабочей зоной, или зоной обзора РЛС. Размеры рабочей зоны определяются интервалами обзора по дальности Rmax - Rmin, азимуту «max - amin, углу места ßmax - ßmin и радиальной скорости Vr max - Vr min. Протяженность каждого указанного интервала определяется числом содержащихся в нем элементов разрешения РЛС по соответствующей координате.

Информацию о наличии целей в различных элементах разрешения рабочей зоны получают в процессе обзора (просмотра) этих элементов. Очередность и время просмотра различных элементов, а также интенсивность сигналов, излучаемых РЛС при просмотре каждого элемента, определяются используемым способом (программой) обзора рабочей зоны.

Обзор элементов рабочей зоны может производиться последовательно во времени или одновременно.

При последовательном обзоре не всегда может быть обеспечен необходимый темп получения информации о наличии и координатах целей в зоне обзора. Это связано с тем, что время облучения цели Т должно превышать максимальное время запаздывания сигнала ттах:

Т> "^шах 2^шах / с

где Ятах - максимальная дальность действия РЛС; с - скорость света.

Время однократного обзора всей зоны Т0 должно удовлетворять условию

Т0 - Т^а, р > (2^Шах / с)^а, р,

где Ыа р - число элементов разрешения по направлению.

При круговом обзоре с синтезированием апертуры должно выполняться определенное соотношение

Т - 2л / Оа.

Число импульсов, отраженных целью за это время, составит

П - Щ - ©Гё / Оа,

где - частота следования импульсов в пачке.

Период обзора рабочей зоны определяет темп поступления информации о наличии цели в зоне и не может превышать некоторого допустимого значения Т0 тах. Если эта величина задана, то

Оа - 2л / ^Ошах.

Это соотношение определяет минимальную угловую скорость вращения ДН антенны РЛС при круговом обзоре с синтезированием апертуры.

Выбором скорости вращения добиваются просмотра земной поверхности без пропусков.

Основные характеристики метода кругового обзора с синтезированием апертуры:

Время облучения цели;

Период обзора и число циклов обзора, приходящихся на каждую цель.

Сравнение метода кругового обзора с синтезированием апертуры с другими методами позволяет сделать следующие выводы.

1. Сканированием ДН приемной антенны обеспечивается просмотр всей подстилающей зем-

ной поверхности без пропусков. При этом угловая разрешающая способность получаемого изображения будет сопоставима с разрешающей способностью РСА в прожекторном режиме.

2. Время облучения практически не зависит от дальности цели.

3. Просмотр подстилающей земной поверхности за один период вращения происходит дважды и зависит от угловой скорости, определяющей количество циклов.

4. Энергетика РЛС значительно выше по сравнению с методом РСА, так как используется более узкая ДН. Цель (элемент местности) находится на направлении наблюдения, перпендикулярном вектору угловой скорости.

5. Выбором угла наклона антенны исключается обзор земной поверхности по горизонтальной

1. Соллогуб А. В. и др. Оценка эффективности кластера малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли по показателям оперативности и надежности выполнения функциональных задач // Информационно-управляющие системы. 2012. № 5(60). С. 24-28.

2. 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. - 680 с.

3. Виноградов М. Возможности современных РЛС с синтезированием апертуры антенны // Зарубежное военное обозрение. 2009. № 2. С. 52-56.

дальности непосредственно под носителем, где разрешающая способность РЛС крайне низкая.

Заключение

В данной работе рассмотрены основные направления развития радиолокационных систем контроля земной поверхности космического базирования и история создания этих средств. Проанализированы существующие методы, выполнена сравнительная оценка основных технических характеристик. Предложен метод синтезирования апертуры на основе кругового перемещения приемной антенны с использованием КА со стабилизацией вращением. Определены пути улучшения технических характеристик бортового радиолокатора для решения прикладных задач.

4. Сесин А. Е., Шепета Д. А. Математическая модель эхо-сигналов морской поверхности, наблюдаемых бортовыми локаторами летательных аппаратов // Информационно-управляющие системы. 2010. № 2. С. 21-25.

5. Захарова Л. Н. и др. Совместный анализ данных оптических и радиолокационных сенсоров: возможности, ограничения и перспективы // Радиотехника и электроника. 2011. Т. 56. № 1. С. 5-19.

Угловая разрешающая способность – важнейшая характеристика любой телескопической системы. Оптика утверждает, что это разрешение однозначно связано с длиной волны, на которой осуществляется наблюдение, и с диаметром входной апертуры телескопа. С большими диаметрами, как известно, большая проблема. Вряд ли когда-нибудь будет построен телескоп больше этого .
Одним из способов значительного увеличения разрешающей способности является применяемый в радиоастрономии и радиолокации метод синтезирования больших и сверхбольших апертур. В миллиметровом диапазоне самую большую апертуру - 14 км - обещают формировать 66-ю антеннами проекта ALMA в Чили.

Перенос методов апертурного синтеза в оптическую область, где длины волн на несколько порядков меньше, чем у радиолокаторов, связан с развитием техники лазерного гетеродинирования .

1.Физические основы формирования изображений.

Не будет ошибкой сказать, что изображение в любом оптическом устройстве формируется дифракцией света на входной апертуре, и более ничем. Посмотрим на изображение объекта из центра апертуры. Угловое распределение яркости изображения бесконечно удаленного точечного источника света (как, впрочем, и любого другого) будет одинаково для линзы и камеры-обскуры равного диаметра. Отличие линзы от обскуры заключается лишь в том, что линза переносит формируемое своей апертурой изображение из бесконечности в свою фокальную плоскость. Или, говоря иначе, производит фазовое преобразование входного плоского волнового фронта в сферически сходящийся. Для удаленного точечного источника и круглой апертуры изображение - это всем известная картина Эйри с кольцами .


Угловой размер диска Эйри можно в принципе уменьшить и как будто увеличить разрешение (по рэлеевскому критерию), если задиафрагмировать апертуру специальным образом. Существует такое распределение пропускания по радиусу, при котором центральный диск теоретически можно сделать произвольно малым. Однако при этом световая энергия перераспределяется по кольцам и контраст сложного изображения падает до нуля.

С математической точки зрения процедура формирования дифракционного изображения сводится к двухмерному преобразованию Фурье от входного светового поля (в скалярном приближении поле описывается комплексной функцией координат и времени). Любое изображение, регистрируемое глазом, экраном, матрицей или другим квадратичным по интенсивности приемником – не что иное, как двухмерный амплитудный спектр ограниченного апертурой светового поля, испускаемого объектом. Легко получить ту же самую картинку Эйри, если взять квадратную матрицу из одинаковых комплексных чисел (имитирующих плоский волновой фронт от удаленной точки), «вырезать» из нее круглую «апертуру», обнулив края, и сделать Фурье-преобразование всей матрицы.

Короче говоря, если каким-то образом записать поле (синтезировать апертуру) на достаточно большой области без потери амплитудной и фазовой информации, то для получения изображения можно обойтись без гигантских зеркал современных телескопов и мегапиксельных матриц, просто вычисляя Фурье-образ полученного массива данных.

2. Локация спутников и сверхразрешение.

Будем наблюдать движущийся поперек луча зрения стабилизированный объект, подсвеченный непрерывным когерентным лазерным источником. Регистрация отраженного от него излучения производится гетеродинным фотоприемником с небольшой апертурой. Запись сигнала в течение времени t эквивалентна реализации одномерной апертуры длиной vt, где v – тангенциальная скорость движения объекта. Легко оценить потенциальную разрешающую способность такого метода. Посмотрим на околоземный спутник в верхней элонгации, летящий на высоте 500 км со скоростью 8 км/сек. За 0,1 секунды записи сигнала получим «одномерный телескоп» размером 800 метров, теоретически способный рассмотреть в видимом диапазоне детали спутника величиной в доли миллиметра. Неплохо для такого расстояния.

Разумеется, отраженный сигнал на таких расстояниях ослабевает на много порядков. Однако гетеродинный прием (когерентное смешивание с опорным излучением) в значительной степени компенсирует это ослабление. Ведь, как известно, выходной фототок приемника в этом случае пропорционален произведению амплитуд опорного излучения и приходящего сигнала. Будем увеличивать долю опорного излучения и тем самым усиливать весь сигнал.

Можно посмотреть с другой стороны. Спектр записанного сигнала с фотоприемника представляет собой набор доплеровских компонент, каждая из которых есть сумма вкладов от всех точек объекта, имеющих одинаковую лучевую скорость. Одномерное распределение отражающих точек на объекте определяет распределение спектральных линий по частоте. Полученный спектр и является по сути одномерным «изображением» объекта по координате «доплеровский сдвиг». Две точки нашего спутника, расположенные на расстоянии 1 мм друг от друга в плоскости, перпендикулярной лучу зрения, имеют разность лучевых скоростей порядка 0,01-0,02 мм/сек. (Отношение этой разности к скорости спутника равно отношению расстояния между точками к расстоянию до спутника). Разность доплеровских частот этих точек для видимой длины волны 0,5 мк составит (f=2V/λ) порядка 100 Гц. Спектр (доплеровское изображение) от всего микроспутника, скажем, размером 10 см, уложится в диапазон 10 кГц. Вполне измеримая величина.

Можно посмотреть и с третьей стороны. Эта технология представляет собой не что иное, как запись голограммы, т.е. интерференционной картины, возникающей при смешивании опорного и сигнального полей. Она содержит в себе амплитудную и фазовую информацию, достаточную для восстановления полного изображения объекта.

Таким образом, подсвечивая спутник лазером, регистрируя отраженный сигнал и смешивая его с опорным лучом от того же лазера, получим на фотоприемнике фототок, зависимость которого от времени отражает структуру светового поля вдоль «одномерной апертуры», длину которой, как уже было сказано, можно сделать достаточно большой.

Двухмерная апертура, конечно, гораздо лучше и информативнее. Расставим равномерно несколько фотоприемников поперек движения спутника и запишем таким образом отраженное поле на площади vt*L, где L – расстояние между крайними фотоприемниками, которое в принципе ничем не ограничено. Например, те же 800 метров. Тем самым мы синтезируем апертуру «двухмерного телескопа» размером 800*800 метров. Разрешение по поперечной координате (L) будет зависеть от количества фотоприемников и расстояния между ними, по другой, «временной» координате (vt) – от ширины полосы излучения лазера и частоты оцифровки сигнала с фотоприемника.

Итак, мы имеем записанное световое поле на очень большой площади и можем делать с ним все, что угодно. Например, получить двухмерное изображение очень маленьких объектов на очень большом расстоянии без всяких телескопов. Или можно восстановить трехмерную структуру объекта путем цифровой перефокусировки по дальности.

Разумеется, реальная трехмерная конфигурация отражающих точек на объекте не всегда совпадает с их «доплеровским» распределением по лучевым скоростям. Совпадение будет, если эти точки находятся в одной плоскости. Но и в общем случае из «доплеровского изображения» можно извлечь много полезной информации.

3. Что было раньше.

Американская DARPA некоторое время назад финансировала программу , суть которой состояла в реализации подобной технологии. Предполагалось с летящего самолета лоцировать со сверхвысоким разрешением объекты на земле (танки, например), были получены некие обнадеживающие данные. Однако эту программу то ли закрыли, то ли засекретили в 2007 году и с тех пор про нее ничего не слышно. В России тоже кое-что делалось. Вот можно посмотреть картинку, полученную на длине волны 10,6 мк.

4.Трудности технической реализации на длине волны 1,5 мк.

По зрелом размышлении я решил здесь ничего не писать. Слишком много проблем.

5. Кое-какие первичные результаты.

Пока с трудом удалось «рассмотреть» с расстояния 300 метров детали плоского диффузно отражающего металлического объекта размером 6 на 3 мм. Это был кусочек какой-то печатной платы, вот фотка:


Объект вращался вокруг оси, перпендикулярной лучу зрения, регистрация отраженного сигнала происходила примерно в момент максимального отражения (блика). Пятно от лазера, освещающее объект, имело размер около 2 см. Использовались всего 4 фотоприемника, разнесенные на 0,5 метра. Размер синтезированной апертуры оценивается величиной 0,5 м на 10 м.
Собственно, на всякий случай сами записанные сигналы (слева) и их спектры (справа) в относительных единицах:


Из предыдущей фотки объекта фотошопом выделены только интересующие нас освещаемые и отражающие участки, которые требуется увидеть:


Изображение, восстановленное двухмерным фурье-преобразованием из 4 сигналов и смасштабированное для сравнения:


Эта картинка вообще-то состоит всего из 4 строк (и около 300 столбцов), вертикальное разрешение изображения, соответственно, около 0,5 мм, однако темный уголок и обе круглые дырки вроде как видны. Горизонтальное разрешение – 0,2 мм, такова ширина токопроводящих дорожек на плате, видны все пять штук. (Обычный телескоп должен быть двухметрового диаметра, чтобы увидеть их в ближнем ИК).

По правде говоря, полученное разрешение пока далеко от теоретического предела, так что неплохо бы довести до ума эту технологию. Дьявол, как известно, кроется в деталях, а деталей здесь очень много.

Спасибо за внимание.