CC BY
11
НАУЧНЫЕ ИЗВЕСТИЯ • 2 6• 20 2 2_
УДК 654-025
ПРИНЦИПЫ ОБРАБОТКИ ОТРАЖЁННЫХ СИГНАЛОВ РАДАРОВ В СОВРЕМЕННЫХ НАНОСПУТНИКАХ
Саранча Аркадий Михайлович
Доцент, Камчатский государственный технический университет
ArkadiyMS@yandex.ru
В статье проведен анализ исследования обработки радиолокационных сигналов приёмных устройств радаров наноспутников. Большое внимание уделено антенне спутникового радиолокатора и его приёмопередатчику в ключе получения качественной картинки отражённого сигнала и его процессорной обработке как такового. Для обработки сигнала применялся алгоритм, используемый в радаре спутника SEASAT SAR. Идея алгоритма заключается в том, что сигналы дальности и азимута разделяются на два одномерных сигнала при определённых условиях. В таком случае фокусировка изображения будет представлять собой две последовательные операции, то есть компрессию по дальности и компрессию по азимуту.
Ключевые слова: Алгоритм обработки приёмного сигнала в радаре спутника SEASAT SAR; две последовательные операции одномерной компрессии импульса; комплексно-сопряжённый исходный ЛЧМ-импульс; алгоритм фокусировки изображения; количественная миграция дальности во временном пространстве дальности; компрессия по дальности и компрессия по азимуту, синтетическая апертура; комплексно-сопряжённый сигнал фазовой функции; дальностно-доплеровский алгоритм.
PRINCIPLES OF RADAR ECHO PROCESSING IN MODERN NANOSATELLITES
Sarancha Arkady Mikhailovich
Associate Professor, Kamchatka State Technical University ArkadiyMS@yandex.ru
The article analyzes the study of radar signal processing of nano-satellite radar receivers. Much attention is paid to the satellite radar antenna and its transceiver in the key of obtaining a quality picture of the reflected signal and its processor processing as such. For signal processing the algorithm used in the SEASAT SAR satellite radar was applied. The idea of the algorithm is that the range and azimuth signals are separated into two one-dimensional signals under certain conditions. The image focusing will then be two consecutive operations, i.e., range compression and azimuth compression.
Keywords: Receiver signal processing algorithm in SEASAT SAR radar; two consecutive one-dimensional pulse compression operations; complex-conjugate initial LFM pulse; image focusing algorithm; quantitative range migration in range time space; range compression and azimuth compression, synthetic aperture; complex-conjugate phase function signal; range-doppler algorithm.
Размер антенны в азимутальном направлении спутника ALOS PALSAR составляет 10 м, следовательно, теоретически достижимое разрешение по азимуту в маршрутном режиме РСА составляет 5 м. На практике размер пикселя делают одинаковым по дальности и азимуту.
Перед тем как переходить непосредственно к получению изображений, кратко рассмотрим алгоритм фокусировки, который мы будет применять, а именно дальностно-допплеровский алгоритм (range-doppler algorithm, RDA). Этот алгоритм разрабатывался в 1976-1978 гг. для обработки данных со спутника SEASAT SAR, запущенного в
1978 году. Основная идея алгоритма RD: использование того факта, что сигналы дальности и азимута могут быть разделены на два одномерных сигнала при определенных условиях. Тогда фокусировка изображения являет собой две последовательных операции одномерной компрессии импульса, то есть компрессия по дальности и компрессия по азимуту.
Компрессия сигнала по дальности относительно проста и может быть реализована путем согласованной фильтрации эхо-сигнала в частотной области дальности на основе знания опорного передаваемого сигнала. Обычно в качестве передаваемого сигнала используется
НАУЧНЫЕ ИЗВЕСТИЯ^26•2022
ЛЧМ импульс (chirp). Это позволяет снизить пиковую мощность передатчика. Этот ЛЧМ импульс отражается от участка поверхности Земли, длиной обычно около 100 км. Принятый отраженный сигнал является сверткой комплексной отражательной способности поверхности Земли и ЛЧМ сигнала. Математически ЛЧМ записывается следующим образом:
где k - скорость изменения частоты (chirp slope), т - длительность импульса (pulse duration). Для ALOS PALSAR:
Согласованный фильтр в данном случае -это просто комплексно-сопряженный исходный ЛЧМ импульс. Обработка сигнала в направлении азимута несколько сложнее. Это связано с тем, что изображение точечной цели, проходящей через синтетическую апертуру, испытывает миграцию по дальности, т. е. эхо-сигнал от одной и той же цели при различных положениях спутника по азимуту (естественно в пределах синтетической апертуры) появляется в различных ячейках дальности.
Таким образом, данные по азимуту оказываются связанны с данными по дальности. Чтобы можно было производить компрессию по азимуту, необходимо вернуть отметку о цели в ячейки, соответствующие одной дальности. Количественно миграция дальности во временном пространстве дальности - частотном пространстве по азимуту определяется следующим выражением:
где Ro - дальность ближайшего подхода спутника к цели, fs - доплеровская частота, V - эффективная скорость. Для точной коррекции
миграции дальности каждого пикселя требуется процедура интерполяции. После того как каждая отметка о цели появляется в своей ячейке дальности, можно переходить к компрессии сигнала по азимуту. Запишем фазу эхо-сигнала:
где R(s) - дальность до цели - функция времени по азимуту (медленное время), поскольку цель перемещается по синтетической апертуре, пока спутник пролетает над ней. Функция R(s) аппроксимируется параболой:
где точкой обозначены производные по медленному времени s. Тогда мы можем переписать фазу эхо-сигнала, как функцию дальности, а также первой и второй производных дальности по времени s.
[«о I ни 5«) ■ ад* доопределим допплеровский центроид и скорость изменения допплеровской частоты следующим образом:
Как мы видим это еще один ЛЧМ сигнал с параметрами fdc и Согласованный фильтр в данном случае - это просто комплексно-сопряженный сигнал фазовой функции. При фокусировке по азимуту мы проходим по всем ячейкам дальности ^о) и для каждой колонки азимута создаем фильтр со своими параметрами № и fR).
ЛИТЕРАТУРА
1. А.М. Саранча. «Развитие сотовых телефонов»: статья - «Заметки учёного», № 5, часть2-1, 2021 -101 -103с.
2. М.М. Маковеева «Система связи с подвижными объектами» - М.-Радио и связь, 2002 - 76 с.
