Радар с обратной синтезированной апертурой

Радар с обратной синтезированной апертурой ( ISAR ) — это радиолокационный метод, использующий радиолокационную визуализацию для создания двумерного изображения цели с высоким разрешением. Он аналогичен обычному SAR , за исключением того, что технология ISAR использует движение цели, а не излучателя, для создания синтетической апертуры . ^[1] Радары ISAR играют важную роль на борту морских патрульных самолетов, обеспечивая им радиолокационное изображение достаточного качества, позволяющее использовать его для целей распознавания целей . В ситуациях, когда другие радары отображают только один неопознаваемый яркий движущийся пиксель, изображения ISAR часто достаточно для различения различных ракет, военных самолетов и гражданских самолетов.

Радиолокационная визуализация поперечного сечения

Изображения целевой области, полученные с помощью ISAR, могут быть полезным инструментом для определения областей рассеяния на цели. Изображения ISAR часто создаются путем вращения мишени и обработки полученных доплеровских историй центров рассеяния. Если цель вращается по азимуту с постоянной скоростью на «маленький» угол, рассеиватели будут приближаться или удаляться от радара со скоростью, зависящей только от положения перекрестного диапазона — расстояния, нормального к лучу визирования радара с началом координат в целевая ось вращения. Вращение приведет к генерации доплеровских частот, зависящих от перекрестного диапазона , которые можно пространственно отсортировать с помощью преобразования Фурье . Для небольших углов изображение ISAR представляет собой двумерное преобразование Фурье принятого сигнала как функцию частоты и целевого угла обзора.

Если цель поворачивается на большие углы, история доплеровской частоты рассеивателя становится нелинейной, следуя синусоидальной траектории. Эта доплеровская история не может быть обработана непосредственно с помощью преобразования Фурье из-за размытой истории доплеровских частот, что приводит к потере междиапазонного разрешения. Максимальный угол поворота, который может быть обработан с помощью немодифицированного преобразования Фурье, определяется ограничением, согласно которому фазовая ошибка апертуры в синтезированной апертуре должна изменяться менее чем на заданную (произвольную) величину, например 45 градусов. Это происходит, когда синтетическая апертура до целевой дальности меньше, чем требуется по ${\frac {2D^{2}}{\lambda }}$ предел, где $D$ — требуемая боковая протяженность цели. В этот момент синтетическая апертура находится в пределах ближнего поля цели и требует фокусировки. Фокусировка осуществляется применением фазовой коррекции к синтетической апертуре.

Приложения

ISAR используется в морском наблюдении для классификации кораблей и других объектов. В этих приложениях движение объекта под действием волн часто играет большую роль, чем вращение объекта. Например, элемент, который простирается далеко над поверхностью корабля, например мачта, будет обеспечивать высокий синусоидальный отклик, который четко различим на двухмерном изображении. Изображения иногда создают поразительное сходство с визуальным профилем с интересным эффектом: по мере того, как объект раскачивается по направлению к приемнику или от него, чередующиеся допплеровские отражения заставляют профиль циклически меняться между вертикальным и перевернутым. ISAR для морского наблюдения была впервые разработана компанией Texas Instruments в сотрудничестве с Военно-морской исследовательской лабораторией и стала важным компонентом P-3 Orion и S-3B Viking ВМС США самолетов .

Исследования проводились также с использованием наземного ISAR. Трудность использования этой возможности заключается в том, что движение объекта гораздо меньше по величине и обычно менее периодично, чем в морском случае.

Возможно, наиболее наглядное и научно убедительное применение ISAR – это получение изображений астероидов в дальнем космосе. Особенно красивым примером этого является так называемая «собачья кость» астероида 216 Клеопатра , который находится примерно на 20% дальше от Земли, чем Солнце. Ширина астероида в средней точке составляет всего 60 миль. Тем не менее, изображение четкое и выглядит как оптическое изображение. Это было похоже на использование телескопа в Лос-Анджелесе размером с хрусталик человеческого глаза для изображения автомобиля в Нью-Йорке. Конечно, хитрость здесь в том, что астероид представлен на очень разреженном фоне, что позволяет существенно устранить неоднозначность.

В феврале 2013 года Indra Sistemas испанская технологическая компания анонсировала первый пассивный ISAR. Пассивный радар не излучает никакого излучения, т. е. использует сигналы, присутствующие в окружающей среде. В этом случае радар использует сигналы цифрового наземного телевидения в качестве несотрудничающего источника освещения окружающей среды. ^[2]

Ошибки

Ошибки в процессе формирования изображения ISAR обычно приводят к расфокусировке и ошибкам геометрии изображения. К ошибкам преобразования ISAR относятся:

Неизвестное движение цели или антенны. Немоделированное движение приведет к расфокусировке изображения цели и ее расположению в неправильном месте. Эта ошибка контролируется подходящей механической конструкцией или использованием методов автофокусировки . Эту ошибку можно измерить с помощью метода аналитического измерения фазы сигнала , описанного ранее.
Вертикальные ошибки ближнего поля: если не выполняется 3D ISAR, протяженность вертикальной цели под прямым углом к горизонтальной синтетической апертуре должна укладываться в пределы вертикального предела дальнего поля. Высокие цели расфокусируются и переместится в неправильное положение. 2D ISAR-представление целевой области представляет собой плоскую поверхность.
Интегрированный возврат боковых лепестков: качество изображения ISAR ухудшается из- по дальности и азимуту за сжатия боковых лепестков . Боковые лепестки возникают из-за усечения данных и могут быть уменьшены применением соответствующих оконных функций. Боковые лепестки могут привести к значительному ухудшению изображения. Во-первых, пики более сильных боковых лепестков могут привести к появлению цепочки все более слабых целей по обе стороны от сильной цели. Во-вторых, совокупная мощность всех боковых лепестков имеет тенденцию затуманивать или размывать детали в областях с низкой RCS. Интегрированный уровень боковых лепестков может в плохих условиях достигать уровня на 10 дБ ниже максимального целевого значения возврата.
Ошибки выборки частоты и азимута. Неправильно выбранные дельты частоты или аспекта приведут к искажению изображений , что приведет к созданию ложных целей. Программа SIM, описанная ранее, специально отслеживает ошибки отчуждения, эффективно устраняя этот источник ошибок.
Аберрации антенны: аберрации геометрии возникают, когда положение фазового центра антенны зависит от аспекта антенны или частоты радиочастот. Этот источник ошибок обычно контролируется с помощью небольших простых антенн в узких полосах частот на больших расстояниях. Поправки первого порядка в антеннах с частотной дисперсией, таких как логопериодические, можно выполнять путем фазовой коррекции принятого сигнала. Полная коррекция аберраций может быть достигнута путем прямой интеграции преобразования ISAR с использованием аберрированной геометрии.
Дисперсия цели. Дисперсионные цели имеют неминимальную фазовую характеристику и, по-видимому, смещаются в зависимости от частоты радиочастот . Примеры дисперсионных целей включают в себя поглотители радиочастотных сигналов, в которых глубина поглощения является функцией частоты, и различные антенны, в которых положение фазового центра зависит от частоты. Визуализация CW ISAR или, в некоторых случаях, предварительная обработка перед преобразованием FMCW ISAR может устранить дисперсионную дефокусировку целевого изображения.
Многолучевое распространение: множественные отражения могут привести к искажениям изображений ISAR, таким как классические следы призрачных изображений от реактивных самолетов выхлопных труб .

К ошибкам плоского двумерного обратного преобразования ISAR относятся:

Ошибки моделирования блокировки изображения: обратное преобразование ISAR в настоящее время предполагает, что рассеиватели находятся на плоской поверхности и не могут блокировать другие рассеиватели.
Ошибки моделирования многолучевого распространения изображения: обратное преобразование ISAR в настоящее время не моделирует среду многопутевого распространения. Обратите внимание, что текущие преобразования ISAR также неправильно обрабатывают многолучевое распространение.

См. также

Ссылки

^ Скольник, Меррилл (1990). Справочник по радарам . Бостон: МакГроу Хилл. п. 12. ISBN 0-07-057913-Х .
^ «Индра разрабатывает первую пассивную радиолокационную систему высокого разрешения» . Проверено 11 февраля 2013 г.

Внешние ссылки

[1] Скольник, Меррилл (1990). Справочник по радарам . Бостон: МакГроу Хилл. п. 12. ISBN 0-07-057913-Х .

[2] «Индра разрабатывает первую пассивную радиолокационную систему высокого разрешения» . Проверено 11 февраля 2013 г.

[1]

[2]