CC BY
269
УДК 621.396.9+ 629.78
ОЦЕНКА ТРЕБОВАНИЙ К ПЕРСПЕКТИВНОМУ КОСМИЧЕСКОМУ РАДИОЛОКАТОРУ МОНИТОРИНГА МОРСКОЙ ОБСТАНОВКИ И ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
© 2013 С. Э. Григас, Д. Ц. Литовченко, А. А. Скорынин
ОАО «Корпорация «Комета», г. Москва
Получены требования к характеристикам радиолокатора космического базирования с синтезированной апертурой, предназначенного для мониторинга морской обстановки и воздушного пространства.
Радиолокатор с синтезированной апертурой, селекция движущихся целей.
В настоящее время радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) космического базирования играют большую роль в решении задач глобального мониторинга морской обстановки и воздушного пространства. Возможность получения высокодетальных изображений в любых погодных условиях независимо от времени суток делает РСА незаменимым средством для обнаружения и распознавания объектов в интересах решения широкого класса задач. В зависимости от типа наблюдаемых объектов предъявляемые к радиолокатору требования могут сильно отличаться. В настоящей работе получены требования, предъявляемые к РСА, предназначенному для обнаружения как низкоскоростных морских судов (НК), так и высокоскоростных воздушных объектов (ВО) в составе космической системы радиолокационного наблюдения (КС РЛН).
Орбитальное построение
и геометрия наблюдения
Важной задачей является выбор параметров орбитальной группировки КС РЛН. С увеличением высоты орбиты уменьшается количество космических аппаратов (КА), необходимое для обеспечения заданных требований по периодичности обзора и другим пространственно-временным характеристикам космической системы. Вместе с тем при этом возрастает дальность до цели, что приводит к снижению обнаружительных способно-
стей РСА. В настоящее время компромиссным решением являются околокруговые орбиты с высотой в диапазоне 600-700 км.
Для оценок рассмотрим круговую орбиту с высотой 650 км. Тогда при локальном угле падения g = 45° наклонная дальность R до центра зоны наблюдения составляет приблизительно 880 км.
Мониторинг морской обстановки
Для контроля надводной обстановки в перспективном РСА космического базирования целесообразно предусмотреть два режима работы, один из которых предназначен для обнаружения НК, а другой -для их распознавания. Исходя из накопленного опыта обработки данных космических радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли для обнаружения НК на фоне морской поверхности достаточно пространственного разрешения порядка 15-25 м [1]. Для обеспечения высоких пространственно-временных характеристик КС РЛН радиолокатор в данном режиме должен обладать как можно более широкой полосой съёмки. По предварительным оценкам при указанном выше пространственном разрешении представляется возможным расширение полосы съемки до 700-750 км. Распознавание обнаруженных судов целесообразно проводить в узкополосном режиме детальной съёмки с шириной полосы порядка 30-50 км. Для классификации
НК с приемлемыми вероятностными характеристиками РСА в данном режиме должен обладать разрешающей способностью не хуже 3-5 м [2]. Для измерения скорости надводных целей в РСА должен быть предусмотрен режим продольной интерферометрии.
При решении задач мониторинга надводной обстановки зачастую возникает необходимость наблюдения непосредственно морской поверхности, например, для обнаружения кильватерных следов от НК с целью более точного определения вектора скорости судна. Поскольку удельная эффективная площадь рассеяния (ЭПР) взволнованной морской поверхности при углах падения к местной нормали 20°-60° в диапазоне длин волн 3-20 см изменяется приблизительно от -5 дБ до -35 дБ [3], радиометрическая чувствительность РСА (удельная ЭПР шумового эквивалента) должна быть не менее -40 дБ при пространственном разрешении 3-5 м.
Функционирование КС РЛН в режиме времени, близком к реальному, возможно только в том случае, если синтез радиолокационных изображений и последующая пороговая обработка с целью обнаружения НК осуществляются на борту. По предварительным оценкам, бортовые ЭВМ, решающие эти задачи, должны обладать производительностью порядка 109 флопс.
Мониторинг воздушного пространства
Специфика задачи мониторинга воздушного пространства состоит в том, что за время синтезирования апертуры антенны Т быстродвижущийся ВО может покинуть пределы элемента разрешения, что приводит к перераспределению сигнала между соседними элементами изображения - расфокусировке радиолокационного изображения и, как следствие, снижению отношения сигнал-шум. Для обнаружения таких объектов необходимо либо применять сложные пространственно-временные алгоритмы обработки, либо
ограничивать время когерентного накопления.
Оценим максимальное время синтезирования Ттах, при котором не происходит расфокусировка изображения точечного подвижного объекта. Пространственное разрешение РСА по азимуту (вдоль курса) определяется выражением
= к
X
l R
2VT
(1)
где X - длина волны, - скорость КА, к -коэффициент запаса, обеспечивающий необходимое подавление боковых лепестков функции импульсного отклика [2]. Будем считать, что за время Ттах цель проходит не более половины элемента разрешения. Тогда
А
X
2
= VTT
T max
(2)
где VT - скорость движения цели. Из (1) и (2) следует, что
Tmax =
к l R
~4VtVs
(3)
При наклонной дальности 880 км, скорости цели 300 м/с и к=1,5 максимальное время когерентного накопления для РСА X-диапазона составляет порядка 0,07 с, что соответствует наилучшему азимутальному разрешению АX порядка 40 м.
Для уменьшения уровня пассивной помехи, вызванной отражением сигналов от подстилающей поверхности, при решении задачи обнаружения малоразмерных объектов элемент разрешения следует выбирать как можно меньшим. С другой стороны, во избежание расфокусировки разрешение по дальности AY должно удовлетворять условию Ay /2 > VTTmax . Поэтому для приведённых выше параметров оптимальное разрешение по дальности составляет приблизительно 40 м.
Таким образом, одной из особенностей режима обнаружения воздушных объектов является необходимость преднамеренного загрубления пространственного разрешения. Другая особенность заключается в необходимости осмотра широких полей обзора для достижения высоких пространственно-временных характеристик КС РЛН, что обусловлено высокой подвижностью объектов наблюдения. Эти особенности позволяют рассматривать режим радиолокационной съёмки ScanSAR [2] в качестве основного режима работы РСА для мониторинга воздушной обстановки. В этом режиме осуществляется электронное перенацелевание диаграммы направленности антенны (ДНА) по углу места, что позволяет расширить полосу съёмки в беспропускном режиме за счёт сокращения времени наблюдения в каждом парциальном кадре при соответствующем ухудшении пространственного разрешения.
Оценим требования к характеристикам РСА, предназначенного для обнаружения ВО в режиме ScanSAR. Величина отношения сигнал-шум SNR в элементе разрешения определяется как [2]:
SNR =
D X DT s Пе
(4)
где а - ЭПР ВО, а™ - удельная ЭПР
шумового эквивалента, определяющая радиометрическую чувствительность РСА.
Величина а0пе определяется из уравнения дальности радиолокации [2]:
s„e = (4p) RPn c
o PtrG212DxDY
(5)
ка, c - коэффициент потерь в тракте, Pr -средняя излучаемая мощность,
G = 4pS /12 - коэффициент усиления антенны, S - эффективная площадь антенны.
Количество лучей, необходимое для покрытия всей полосы съемки в режиме ScanSAR без учёта перекрытия соседних лучей, составляет N = DL / LY , где DL -ширина полосы обзора,
Ly = 1R / Dy cos g - ширина пятна засветки на поверхности Земли по дальности, Dy - вертикальный размер антенны. Время наблюдения ВО в каждом парциальном луче определяется соотношением между размером пятна засветки по азимуту LX = 1R / DX , где DX - горизонтальный
размер антенны, скоростью его перемещения, которую можно приближённо считать равной скорости VS орбитального движения КА, и числом лучей N :
T = Lx
(l R)2
NVS DxDyVsDL cos g
(6)
где Ры = кв АР Т0 Ры - мощность тепловых
шумов в приёмнике, кв - постоянная
Больцмана, АР ~1/ Т - ширина полосы пропускания фильтра, обратно пропорциональная времени синтезирования апертуры Т, Т0 = 290 К, Ры - шум-фактор приемни-
Из (4) - (6) получаем выражение для параметров РСА, обеспечивающих заданное отношение сигнал-шум:
P S = 4pR2 SNRkBT0FnVsDLccosg (?)
Пусть за счёт применения на входе приемника малошумящего усилителя перед преобразователем частоты шум-фактор приёмника равен 2 дБ [4], а потери в тракте составляют 6 дБ. Достигнутый в настоящее время уровень энергообеспечения РСА космического базирования соответствует приблизительно 300 Вт средней излучаемой мощности [2]. Тогда для обнаружения ВО с ЭПР от 10 м в полосе шириной 700 км с отношением сигнал-шум 20 дБ требуется антенна с апертурой не менее 30 м2.
Обнаружение малоразмерных ВО на фоне сильноотражающей подстилающей поверхности представляет собой сложную
задачу. Один из способов её решения, рассмотренный в работе [5], основан на том, что сигнал от подвижной ВО имеет доплеровский сдвиг частоты. При достаточно большой величине частотного сдвига отражённые от подстилающей поверхности сигналы принимаются по боковым лепесткам ДНА, что делает возможным эффективное подавление пассивной помехи.
Получим оценку для уровня боковых лепестков ДНА, обеспечивающего необходимое отношение сигнал-помеха SCR. Полуширина AFC главного лепестка (по уровню первого нуля) спектра пассивной помехи, вызванной отражением сигналов от неподвижной подстилающей поверхности, определяется скоростью КА-носителя РСА VS и горизонтальным размером антенны DX :
DFc = Vs / DX .
(8)
Fd = 2Vr / Я .
(9)
Из (8) и (9) следует, что если радиальная скорость на ВО превышает величину
Vnin = V Я /2Dx,
(10)
то сигнал от объекта наблюдается на фоне помехи, принимаемой по боковым лепесткам ДНА. Это обеспечивает режек-цию пассивной помехи, и в этом случае отношение сигнал-фон в элементе разрешения РЛИ определяется выражением:
SCR =
k Dx АТ
(11)
где k - уровень первых боковых лепестков ДНА.
Из соотношений (1) и (11) получаем выражение для уровня первых боковых лепестков ДНА РСА, при котором обеспечивается заданное отношение сигнал-фон:
k =
2sVST
SCR kЯR sBAY
(12)
Доплеровский сдвиг Ев частоты отражённого от ВО сигнала определяется величиной радиальной скорости объекта V,:
Поскольку уровень боковых лепестков зависит от длины волны излучения, то прежде чем получить требуемые оценки, необходимо выбрать частотный диапазон РСА. С увеличением длины волны возрастает ЭПР ВО, в то время как удельная ЭПР подстилающей поверхности снижается. По этой причине для обнаружения малозаметных ВО на фоне сильноотра-жающей поверхности представляют интерес длинноволновые диапазоны. С другой стороны, согласно условию (10), чем больше длина волны, тем большего размера требуется антенна при заданной минимально обнаруживаемой скорости ВО. Обеспечение минимальных габаритов антенных систем является крайне важной задачей при проектировании РСА космического базирования, что определяет целесообразность использования Х-диапазона - наиболее коротковолнового из применяемых частотных диапазонов в радиолокационных средствах ДЗЗ космического базирования.
Если при отношении сигнал-шум порядка 20 дБ отношение сигнал-фон составляет 25 дБ и более, то влиянием пассивной помехи на вероятностные характеристики обнаружения ВО можно пренебречь. Согласно формуле (12), для обнаружения ВО с ЭПР от 10 м2 на фоне подстилающей поверхности с удельной ЭПР не выше оБ = -20 дБ уровень первых боковых лепестков ДНА не должен превышать величину к = -19 дБ. При этом для обнаружения ВО с радиальной скоростью 20 м/с и больше минимальный горизонтальный размер антенны, согласно выражению (10), составляет 5,6 м. Как было отмечено выше, для обеспечения задан-
ных энергетических характеристик площадь рассматриваемой антенны должна превышать 30 м2. Тогда минимальный вертикальный размер антенны составляет 5,4 м и приблизительно равен горизонтальному размеру.
В рассматриваемом режиме РСА должен обладать возможностью однозначного определения радиальной скорости ВО. При скорости последних порядка 300 м/с характерная величина доплеров-ского сдвига частоты в X-диапазоне достигает 20 кГц. Поэтому, согласно теореме Котельникова, частота повторения импульсов Fp должна составлять не менее 40 кГц. При такой высокой частоте повторения ширина полосы однозначно определяемой дальности Lamb = c sin g /2Fp составляет всего 2,6 км, что существенно меньше ширины полосы засветки LY = 7 км. В этом состоит проблема однозначного определения и дальности до ВО, которая может быть решена путём увеличения вертикального размера антенны или за счёт применения специальных методов, например, псевдослучайной черезпериод-ной модуляции зондирующего сигнала [2].
Полученные характеристики РСА, предназначенного для мониторинга воздушного пространства, приведены в табл. 1. Локатор с такими параметрами обладает радиометрической чувствительностью = -52 дБ при пространственном разрешении D X = 430 м и DY = 40 м. Высокая радиометрическая чувствительность РСА делает возможным его применение также для решения задач контроля морской обстановки.
Таблица 1. Характеристики РСА космического базирования
Заключение
Получены требования к характеристикам РСА космического базирования, предназначенного для мониторинга морской обстановки и воздушного пространства. Для обнаружения надводных объектов предполагается использовать широкополосный режим радиолокационной съемки с низким пространственным разрешением, для распознавания обнаруженных объектов - режим высокодетального наблюдения. Показано, что для решения задачи мониторинга воздушной обстановки целесообразно применять специальный режим работы РСА с высокой частотой повторения импульсов и высокой радиометрической чувствительностью, позволяющий обнаруживать сигналы от воздушных объектов на фоне собственных шумов и пассивных помех, вызванных отражениями от подстилающей поверхности.
Библиографический список
1. Crisp, D.J. The state-of-the-art in ship detection in Synthetic Aperture Radar imagery [Text] / D.J. Crisp // Australian Department of Defense, research report DSTO-RR-0272, 2004.
2. Радиолокационные системы зем-леобзора космического базирования [Текст] / В.С. Верба, Л.Б. Неронский, И.Г. Осипов, В.Э. Турук. М.: Радиотехника, 2010.
3. Skolnik, M. Radar Handbook, Third Edition / M. Skolnik. - McGraw-Hill Professional, 2008.
4. Неронский, Л.Б. Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы. Радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны / Л.Б. Неронский, В.Ф. Михайлов, И.В. Брагин. -СПб.: СПбГУАП, 1999.
5. Григас, С.Э. Оценка возможности обнаружения малоконтрастных воздушных целей с использованием космической радиолокации / С.Э. Григас, Д.Ц. Литов-ченко, А. А. Скорынин // Антенны. - 2013. - № 1. - С. 66-68.
Параметр Значение
Длина волны излучения, см 3
Размеры антенны, м2 5,6x5,4
Средняя излучаемая мощность, Вт 300
Уровень первых боковых лепестков ДНА, дБ -19
Шум-фактор приемных модулей, дБ 2
ASSESSMENT OF TECHNICAL REQUIREMENTS FOR THE FUTURE SPACEBORNE MARITIME AND AIRSPACE SURVEILLANCE RADAR
© 2013 S. E. Grigas, D. Ts. Litovchenko, A. A. Skorynin «Corporation «Kometa» plc, Moscow
Technical requirements for a spaceborne maritime and airspace surveillance synthetic aperture radar are discussed.
Synthetic aperture radar, moving target indication.
Сведения об авторах
Григас Станислав Эдуардович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, ОАО «Корпорация «Комета». E-mail: [email protected]. Область научных интересов: дистанционное зондирование Земли с использованием радиолокаторов космического базирования.
Литовченко Дмитрий Цезарьевич, доктор технических наук, заместитель генерального директора - генерального конструктора по научному обеспечению разработок, ОАО «Корпорация «Комета». E-mail: [email protected]. Область научных интересов: космические системы наблюдения реального масштаба времени.
Скорынин Александр Андреевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, ОАО «Корпорация «Комета». E-mail: [email protected]. Область научных интересов: математическое моделирование космических радиолокационных комплексов.
Grigas Stanislav Eduardovich, candidate of physics and mathematics, research associate, «Corporation «Kometa» plc. E-mail: [email protected]. Area of research: spaceborne radar Earth remote sensing.
Litovchenko Dmitry Tsesaryevich , doctor of technical science, deputy general director - general designer of «Corporation «Kometa» plc. E-mail: dc [email protected]. Area of research: spaceborne real-time surveillance systems.
Skorynin Alexander Andreevich, candidate of physics and mathematics, research associate, «Corporation «Kometa» plc. E-mail: [email protected]. Area of research: modeling and numerical simulation of spaceborne radars.
