CC BY
78
Vol. 20, No. 04, 2017
Ovil Aviation High Technologies
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Б01: 10.26467/2079-0619-2017-20-4-127-134
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ С СИНТЕЗИРОВАНИЕМ АПЕРТУРЫ АНТЕННЫ ПРИ СЕКТОРНОМ ОБЗОРЕ
Е.Е. НЕЧАЕВ1, К.С. ДЕРЯБИН2
1 Московский государственный технический университет гражданской авиации,
г. Москва, Россия 2ПАО «Туполев», г. Москва, Россия
Одним из недостатков интерферометрических бортовых радиолокационных станций с синтезированием апертуры антенны является относительно узкая, по сравнению с аналогичными системами космического базирования, полоса обзора. Увеличение полосы обзора при боковом обзоре интерферометра возможно за счет увеличения высоты полета и угла визирования, при этом снижается точность измерения высоты из-за увеличения наклонной дальности. Другим возможным вариантом увеличения полосы обзора является использование обзора отличного от бокового. В статье рассматривается эффективность применения секторного обзора в бортовых радиолокационных станциях с синтезированием апертуры антенны в режиме интерферометрии. Приводится математическая модель и описание геометрии процесса интерферометрического измерения высоты при секторном обзоре. Проведён анализ влияния высоты подстилающей поверхности и угла наблюдения на изменение фазы отраженного сигнала. Показано, что изменение угла наблюдения вносит дополнительный вклад в изменение фазы. Проведен расчет потенциальной точности измерения высоты. Результаты расчета показывают, что увеличение угла наблюдения снижает точность измерения высоты. Максимальное снижение точности наблюдается при угле наблюдения 90°. Несмотря на некоторое снижение точности измерения высоты, применение секторного обзора позволяет расширить полосу обзора. Снижение точности измерения высоты можно ограничить путем выбора оптимальных параметров сканирования.
Ключевые слова: интерферометрические радиолокационные станции с синтезированием апертуры антенны, секторный обзор.
Получение цифровых моделей местности в районах с быстроменяющейся обстановкой является важной задачей для многих отраслей народного хозяйства и науки [ 1, 2, 4, 6].
Одним из способов получения информации о высоте местности является использование бортовых радиолокационных станций с синтезированием апертуры антенны в интерферометри-ческом режиме [3, 5, 7-11].
Основным недостатком систем, использующих в качестве носителя воздушные суда, является высокая стоимость получаемой цифровой модели местности по сравнению с аналогичными системами космического базирования из-за относительно малой полосы обзора.
Существующие интерферометрические бортовые радиолокационные станции с синтезированием апертуры антенны (ИФРСА) воздушного базирования для измерения высоты используют поперечную интерферометрическую базу и боковой обзор (направление максимума диаграммы направленности перпендикулярно направлению движения самолета-носителя). В этом случае ширина полосы обзора ИФРСА зависит от ширины луча, высоты полета и угла визирования. Для увеличения полосы обзора необходимо увеличивать высоту полета самолета-носителя и угол визирования, что приводит к уменьшению точности измерения высоты. Для расширения полосы обзора без изменения наклонной дальности можно использовать секторный обзор.
Секторный обзор подразумевает отклонение угла наблюдения луча антенны от значения
'К
— в процессе сканирования (рис. 1). Рассмотрим влияние угла наблюдения на точность измерения высоты.
Ovil Aviation High Technologies
Vol. 20, No. 04, 2017
В процессе интерферомет-рической обработки ИФРСА формирует два радиолокационных изображения (РЛИ) одного и того же участка местности. Информация о высоте в конкретной точке содержится в разности фаз соответствующих пикселей двух РЛИ. Следовательно, точность измерения высоты в ИФРСА зависит от точности измерения фазы в каждой точке пары РЛИ.
Рассмотрим влияние высоты и угла наблюдения на фазу отраженного сигнала. Геометрия, описывающая это влияние, изображена на рис. 2.
а ъ
1 \ \ \ \ \ \ \ \
Н 0 ч > \ Rib) \ V \ V V \ ■ \ Яо yi
<я \ чд h
i (xi, yi, 0)
Рис. 2. Система координат ИФРСА при секторном обзоре Fig. 2. Coordinate system of IFSAR with sector scan
Рис. 1. Секторный обзор БРЛС Fig. 1. Sector scan of synthetic aperture radar
Z
Фаза принятого сигнала зависит от расстояния до цели:
4п
ф=— Я. (1)
л
Наклонная дальность до точки на поверхности референц-эллипсоида определяется следующим образом:
Ro=lH2+x?+y?. (2)
Vol. 20, No. 04, 2017
Ovil Aviation High Technologies
При изменении высоты наклонная дальность до цели становится ее функцией [ 1]:
R(h) = ¡(H-hy + xf+yf .
(3)
Чтобы оценить влияние изменения высоты на изменение фазы принятого сигнала, продифференцируем функцию R(,h) относительно изменения высоты:
dR(h) 1 _ _ 1
= 2^[(Н- h)2 + xf + yf]-f • (2h - 2H)
h-H
dR(h) = -
H -h
(H - h)2 + xf + yf
[R(h)
• dh.
(4)
Подставив h = 0 в (4), получим выражение, описывающее влияние высоты цели на расстояние до цели:
R(h) = -(l
¡t)dh = ~(
/Hcosßu • COS^i
yi
о
dh.
(5)
Изменение фазы принятого сигнала будет равно
4п • HcosßH • cos<pi
\йф\ =----dh.
¿•Vi
(6)
При Рн = 0, что соответствует боковому обзору, фаза принятого сигнала будет зависеть только от высоты цели.
На рис. 3 показано влияние угла наблюдения на фазу принятого сигнала.
Рис. 3. Влияние угла наблюдения на фазу принятого сигнала Fig. 3. Influence of the observation angle on the phase of a received signal
Научный Вестник МГТУ ГА_Том 20, № 04, 2017
Ovil Aviation High Technologies Vol. 20, No. 04, 2017
Определим потенциальную точность измерения высоты при различных углах наблюдения. Геометрия задачи для определения высоты изображена на рис. 4.
Проекции наклонных дальностей первой и второй антенны на плоскость YOZ соответственно будут равны
RH • cosßa = R, (7)
(RH + AR) • cosßb = r. (8)
Проекция наклонной дальности первой антенны является линией равных углов. Высота цели определяется следующим образом:
h = H-R• sin^L. (9)
Разность расстояний от антенн ИФРСА до цели
г2 = В2 + R2 - 2BR • cos(y± + фб). (10)
Подставив (7) и (8) в (9) и (10) соответственно получим
h = H — RHcos ßa • (11)
, Л пл2 _B2 + Rlcosßg — 2BRHcosßa • cos(y± + (p6) (R*+AV = cös^ßl .
Учитывая, что RH » AR и RH» В [1],
— r
-BC0Sßa • COs(täL + (ß6) , ч
AR «-—-——. (12)
C0S2ßb
Vol. 20, No. 04, 2017
Civil Aviation High Technologies
Продифференцируем измеряемую высоту Л по разности наклонных дальностей Д й:
йк йк
dp}
dh
d(AR) dpL d(AR)'
= —RHcosßa • cosp±;
1
Отсюда
d(AR) d(AR')/dp]
dh
Bcosßa • sm((± + p6) с os2ßb
(13)
(14)
—RHcosp±.cos2ßb
d(AR) = Bsln(p± + pб) '
—RHcosp l ,cos2ßh \dh\ = ^-\d(AR)\.
Bsln(p± + p6)
(15)
С учётом (12) получим
Лйнсозр | ХОБ2Ви \йк\ = А1., м РЬЛ- \йф\. 4nBsm( р± + рб)
Точность измерения фазы можно представить в виде [2, с. 185]
1
\8ф\=^=, Vч
(16)
(17)
где ч - отношение сигнал-шум.
Выразив углы рь и р± через угол наблюдения Вн, получим окончательное выражение оценки потенциальной точности измерения высоты
ARHcos
arcsin \
sinßHJx2 + y2 AR
СОБ
\dh\ =
(
arccos
\
Ух
RH o
arcsin \
slnßH^x2 + У2
))
4nJqBsln
где Дй определяется следующим образом:
+ Рб
(18)
dvil Aviation High Technologies
Vol. 20, No. 04, 2017
ДД = + (У1 - Вс05(рб)2]2 + [Взт(рб + Дн5Шфб]2. (19)
При секторном режиме обзора угол наблюдения Рн изменяется по закону [3, с. 85]
Рн(0 = Ро + [ ПА(Т)^, (20)
где Р0 - начальный угол наблюдения, ПА(т) - угловая скорость перемещения луча диаграммы направленности.
Рассчитаем потенциальную точность измерения высоты для следующих условий полета: высота полета - 10000 м, наклонная дальности до цели - 18000 м, длина интерферометрической базы - 10 м, длина волны - 3,75 см, угол наклона базы - 0о, высота подстилающей поверхности постоянна - 100 м. Зависимость точности измерения высоты от угла изображена на рис. 5.
а с |-
J0 40 60 S0
JIB
Рис. 5. График зависимости точности измерения высоты от угла наблюдения Fig. 5. Graph of accuracy relationship between the estimation height and the observation angle
Средняя точность определения высоты для данных условий составляет ~ 7 м.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Максимальное влияние угла наблюдения на фазу принятого сигнала будет при угле наблюдения 90°.
2. Полученные результаты измерения потенциальной точности показывают возможность работы ИФРСА с использованием секторного обзора.
3. Уменьшение точности измерения высоты, вызванное изменением угла наблюдения, можно ограничить путем выбора оптимальных параметров сканирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mark A.R. A Beginner's Guide to Interferometric SAR Concepts and Signal Processing. IEEE A&E Systems Magazine, vol. 22, N 9, 2007.
2. Авиационные системы радиовидения. Монография / В.Н. Антипов, А.Ю. Викентьев, Е.Е. Колтышев, Г.С. Кондратенков, А.А. Лавров, А.Ю. Фролов, В.Т. Янковский: под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радиотехника, 2015.
Vol. 20, No. 04, 2017
Сivil Aviation High Technologies
3. Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / под ред. В.Т. Горяинова. М.: Радио и связь, 1988.
4. Бакулев П.А. Радиолокационные станции. М.: Радиотехника, 2004.
5. Кондратенков Г.С. Радиолокационные станции обзора Земли / Г.С. Кондратенков, В.С. Потехин и др. М.: Радио и связь, 1983.
6. Дудник П. И. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / П.И. Дудник, А.Р. Ильчук и др. М.: Дрофа, 2007.
7. Неронский Л.Б., Михайлов В.Ф., Брагин И.В. Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы. Радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны: учеб. пособие. СПб., 1999.
8. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. Основы и методы дистанционных исследований в геологии / пер. с нем. М.: Мир, 1988.
9. Елизаветин И.В. Условия получения космическим РСА стереоизображений для построения цифровых моделей // Исследования Земли из космоса.1994. No. 3.
10. Доросинский Л.Г., Лысенко Т.М. Классификация пространственно-распределенных объектов по данным РЛС бокового обзора // Радиотехника. 1996. No. 3.
11. Пресняков А.Н. Радиолокационное обнаружение наземных малоразмерных неодно-родностей // Радиотехника. 1996. No. 6.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Нечаев Евгений Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой управления воздушным движением МГТУ ГА, eenetchaev@mail.ru.
Дерябин Кирилл Сергеевич, аспирант кафедры управления воздушным движением МГТУ ГА, deryabin88@bk.ru.
CHARACTERISTICS OF AIRBORNE INTERFEROMETRIC SYNTHETIC APERTURE RADAR WITH SECTOR SCAN
Evgenii E. Nechayev1, Kirill S. Deryabin2
1Moscow State Technical University of Civil Aviation, Moscow, Russia 2Production joint-stock company "Tupolev", Moscow, Russia
ABSTRACT
One of the drawbacks of airborne interferometric synthetic aperture radar is a relatively narrow swath compared to analogous space based systems. Increasing the swath with side view of the interferometer can be possible by increasing the flight altitude and angle of sight. At the same time the height measurement accuracy decreases due to slant range distance increase. Another possible way of swath increasing is using sector scan. The efficiency of sector scan using in interferometric synthetic aperture radar is analyzed in this paper. The mathematical model and geometry of height measurement at a sector scan have been discussed. There was made an analysis of the effect of terrain height and observation angle on received signal phase changing. Observation angle changing is shown to contribute to the phase changing. Potential height accuracy measurement was calculated. The calculation results show that increasing the observation angle reduces height accuracy measurement. The maximum accuracy decrease is obtained at the observation angle of 90°. Despite height accuracy measurement decrease applying the sector scan allow to expand the swath. The accuracy decrease can be limited by selecting optimal parameters of scanning.
Key words: interferometric synthetic aperture radar, sector scan.
REFERENCES
1. Mark A.R. A Beginner's Guide to Interferometric SAR Concepts and Signal Processing. IEEE A&E Systems Magazine, 2007, vol. 22, no. 9.
Civil Aviation High Technologies
Vol. 20, No. 04, 2017
2. Antipov V.N., Vikentiev A.Yu., Koltashev E.E., Kondratenkov G.S., Lavrov A.A., Frolov A.Yu., Yankovsky V.T. Aviatsionnye sistemyi radiovideniya [Aviation system radiovideniya]. M., Radiotehnika 2015. (in Russian)
3. Antipov V.N., Gorjainov V.T., Kulin A.N. Radiolokatsionnye stantsii s tsifrovyim sintezi-rovaniem aperturyi antennyi [Radar stations with digital synthetic aperture antenna]. M., Radio i svjaz, 1988. (in Russian)
4. Bakulev P.A. Radiolokacionnie stancii [Radar]. M., Radiotehnika, 2004. (in Russia)
5. Kondratenkov G.S. Radiolokacionnie stancii obzora Zemli [Radar earth observation]. M., Radio i svyaz, 1983. (in Russian)
6. Dudnik P.I. Mnogofunkcionalnie radiolokacionnie sistemi. Ucheb. posobie dlya vuzov [Multifunctional radar system. The allowance for high schools]. M., Drofa, 2007. (in Russian)
7. Neronskii L.B., Mihailov V.F., Bragin I.V. Mikrovolnovaya apparatura distancionnogo zondirovaniya poverhnosti Zemli i atmosferi. Radiolokatori s sintezirovannoi aperturoi antenni. Ucheb. Posobie. SPb.,SPb. GUAP, 1999. (in Russian)
8. Kronberg P. Distancionnoe izuchenie Zemli. Osnovi i metodi distancionnih issledovanii v geologii [Remote study of the Earth. Fundamentals and methods of remote sensing methods in Geology]. Per. s nem. M., Mir, 1988. (in Russian)
9. Elizavetin I.V. Usloviya polucheniya kosmicheskim RSA stereoizobrajenii dlya postroeniya cifrovih modelei. Issledovaniya Zemli iz kosmosa [The Conditions for obtaining a space RSA images for building digital models]. Earth exploration from space, 1994, No. 3. (in Russian)
10. Dorosinskii L.G., Lisenko T.M. Klassifikaciya prostranstvenno-raspredelennih obektov po dannim RLS bokovogo obzora [Classification of spatially - distributed objects according to the side-looking radar]. Radiotehnika, 1996, No. 3. (in Russian)
11. Presnyakov A.N. Radiolokacionnoe obnarujenie nazemnih malorazmernih neodnorod-nostei [Radar's detection of small ground-based inhomogeneities]. Radiotehnika, 1996, No. 6. (in Russian)
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Evgenii E. Nechayev, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of Air Traffic Control Chair of Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTUCA), eenetchaev@mail.ru.
Kirill S. Deryabin, Postgraduate student of Air Traffic Control Chair, MSTUCA, Engineer of Production Joint-Stock Company "Tupolev", deryabin88@bk.ru.
Поступила в редакцию 28.02.2017 Received 28.02.2017
Принята в печать 25.05.2017 Accepted for publication 25.05.2017
