Главная > Разное > Защита от радиопомех
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

2. Голографическая обработка радиосигналов

Изобретение голографии позволило реализовать идеи оптимальной пространственно-временной обработки сигналов практически наиболее просто. Первые же исследования голографических систем указали на ряд их преимуществ в отношении реализации новых эффективных способов борьбы с помехами, основанных на более полном использовании фазовой информации, заключенной в принимаемом полезном радиосигнале.

В традиционных РЛС информация о начальной фазе полезного сигнала либо не используется, либо используется частично лишь для получения в приемном устройстве максимального отношения сигнал/шум (например, в оптимальных приемниках при временной обработке сигналов с известной начальной фазой). Как правило, при отображении целей (обработке сигналов) регистрируется только амплитудное распределение, фазовая же информация безвозвратно теряется, чем ослабляются потенциальные возможности систем по борьбе с помехами.

В голографических устройствах использование всей информации, содержащейся в сигнале, который поступает на раскрыв антенны позволяет оптимизировать обработку сигнала не только во времени, но и в пространстве по раскрыву антенны. По существу дело сводится к тому, что голографическая обработка делает «видимым» волновой фронт, т. е. амплитудное и фазовое распределения на апертуре антенны. Для этого, очевидно, необходимо и достаточно тем или иным способом трансформировать волновой фронт из радиодиапазона в диапазон видимого света. Восстановление волнового фронта возможно только в случае, если РЛС является многоканальной и когерентной.

Чтобы уяснить возможные пути повышения помехозащищенности РЛС при использовании голографических способов обработки, рассмотрим основные принципы построения голографических систем.

Информация о цели (предмете) заложена в амплитудном и фазовом распределениях электромагнитного поля, создаваемого излучающим предметом.

В общем виде комплексное распределение поля записывается как

где распределение амплитуд поля в плоскости изображения — распределение фаз.

Ниже для простоты рассуждений рассматривается стационарная голограмма, что дает возможность не учитывать времени. Другими словами, предполагается что стабильность частоты сигнала такова, что за время фиксации голограммы разность фаз суммируемых отраженной и опорной волн меняется несущественно. При этом предполагается, что цель неподвижна.

Процесс образования изображения в голографии проводится в две ступени. Вначале производится запись голограммы, а затем осуществляется реконструкция волнового фронта (изображения). Задачей голографической установки является получение образа цели (предмета) путем запоминания рассеянного ею поля и последующего его воспроизведения. Для получения голограммы необходим источник когерентных волн, в качестве которого используется лазер. Голограмма получается при взаимодействии (интерференции) двух волн: волны, рассеянной предметом, и опорной волны, получаемой от источника когерентного излучения.

На регистрирующем устройстве (устройстве запоминания сигналов), например фотопластинке, записывается картина, возникающая в результате интерференции опорной и рассеянной волн. Чтобы интерференция имела место, цель (предмет) облучается опорной волной, которая целью рассеивается. Часть рассеянной волны попадает на регистратор (фотопластинку), где взаимодействует с опорной волной. Пусть опорная волна плоская и падает на фотопластинку под углом . Вдоль оси х линейной голограммы фаза меняется линейно:

где принято называть пространственной частотой. Суммируясь в пространстве, рассеянная волна и волна опорного сигнала создают в плоскости фотопластинки поле, комплексная амплитуда которого описывается выражением

Фотоэмульсия засвечивается примерно пропорционально мощности падающего сигнала. Поэтому на фотопластинке будет воспроизведена интерференционная картина вида

Из полученного выражения следует, что третий и четвертый члены суммы несут полную информацию об амплитудном и фазовом распределениях отраженной волны. При этом фазовая информация закодирована в форме фазовой модуляции «пространственного» сигнала:

Задача восстановления волнового фронта состоит в фазовой демодуляции (8.4.31) и устранении помехи, в качестве которой выступает Для фазового детектирования необходимо и достаточно перемножить (8.4.31) на сигнал вида

Восстановление же амплитудного распределения возможно, если пропускание обработанной пластины будет пропорционально ее облученности, так что

где коэффициент пропорциональности. Выражение (8.4.33) с учетом (8.4.31) называется уравнением голографии.

На втором этапе, называемом стадией восстановления предметной волны голограмма облучается той же плоской когерентной волной. Происходит дифракция

падающей волны на интерференционной картине голограммы. За голограммой при выполнении условия (8.4.32) образуется электромагнитное поле

На выходе голограммы образуются три волны, которые соответствуют трем слагаемым выражения (8.4.34). Первая составляющая сохраняет направление опорной волны и является помехой. Ее можно сделать малой за счет выбора амплитуды Вторая составляющая пропорциональна искомому распределению и является восстановленной рассеянной волной. Эта волна распространяется перпендикулярно плоскости голограммы, так как Третья составляющая также пропорциональна восстанавливаемому полю, однако волна, порожденная этой составляющей, распространяется под углом — Эта волна является комплексно-сопряженной исходной волне.

На втором этапе голографического процесса формируются два изображения:

— мнимое изображение, которое полностью соответствует истинному предмету; это изображение порождает вторая составляющая (8.4.34);

— действительное изображение, создаваемое третьей составляющей; это изображение обладает свойством псевдоскопичности, т. е. имеет рельеф, обратный истинному (изображение впадин наблюдается как выступы и наоборот).

Оба изображения могут быть реализованы в голографии. На практике чаще используется мнимое изображение.

Имеется большое разнообразие голографических схем, которые могут быть использованы и в радиодиапазоне на различных стадиях обработки сигнала [47, 142, 157]. Знакомство с ними не входит в нашу задачу.

Принципиально нет никаких особенностей формирования голограммы в радиодиапазоне, так как природа электромагнитных волн не зависит от длины волны. Если предположить, что существуют такие элементы (детекторы,

интенсивности, подобные фотопластинкам в оптике), которые имеют способность фиксировать картину интерференции опорной и отраженной радиоволн, то информация об амплитудном и фазовом распределениях отраженного поля может быть восстановлена известными способами голографии. Изображение предмета может быть воспроизведено при облучении радиоголограммы опорной когерентной радиоволной. Однако это изображение предмета будет невидимым, ибо восстанавливается оно в радиодиапазоне. Для получения видимого изображения необходимо облучать радиоголограмму когерентной волной оптического диапазона. Однако получение изображения таким образом наталкивается в настоящее время на существенные технические трудности, поэтому применяют иной способ обработки.

В голографических РЛС для получения видимого изображения радиоголограмма «трансформируется» в оптическую голограмму, которая в дальнейшем фиксируется и является долговременным носителем информации о наблюдаемой цели [157, 142].

В радиолокации голографическая обработка сигналов также распадается на два этапа.

Сначала получают радиоголограмму, для чего передатчик формирует опорный радиосигнал, используемый для облучения цели. Радиосигнал, отраженный от цели, взаимодействует на приемной стороне с опорным сигналом и обеспечивает формирование радиоголограммы, которая преобразуется в оптическую. На втором этапе осуществляется воспроизведение изображения. Для этого производятся описанные выше операции. Следовательно, отличие радиоголографии от оптической имеет место лишь на этапе получения голограммы, что обусловлено разницей в длинах волн электромагнитных полей радио- и оптического диапазона.

Обычно в голографических РЛС (ГРЛС) используется антенная система в виде решетки. Если на антенную решетку падает опорная плоская когерентная волна и волна, рассеянная целью, то в результате их интерференции интенсивность суммарного сигнала изменяется по апертуре антенны. Образуется система интерференционных полос. Здесь следует еще раз отметить, что время фиксации радиоголограммы, должно быть таким, чтобы временная и пространственная когерентности не успели разрушиться, т. е. интерференционная картина не успела сместиться по элементам решетки.

Рассмотрим получение радио голограммы точечной цели. Как известно [163], голограмма точечной цели представляет собой зонную решетку Френеля. Темные кольца соответствуют пучностям (максимумам) интенсивности интерференционной картины радиоволн, светлые — узлам (минимумам). Возбуждаются только те элементы решетки, которые находятся в пучностях (рис. 8.17).

Каждому элементу (из общего числа элементов) соответствует свой приемный канал (усилитель и детектор), нагрузкой которого служит световой индикатор. Световые индикаторы монтируются в той же последовательности, что и элементы антенной решетки: из них создается матрица элементов аналогичная антенной решетке.

Под действием сигналов, поступающих с приемников, начинают светиться только те индикаторы, пространственное расположение которых соответствует кольцам максимальной интенсивности радиоголограммы. На матрице оптических элементов картина изменения интенсивности повторяет интерференционную картину радиоголограммы. Так получается оптическая голограмма. Полнота информации об интерференционной картине в полученной таким образом голограмме зависит от шага пространственного квантования. Предельное соответствие достигается при удовлетворении условиям теоремы Котельникова по отношению к пространственным частотам.

Изображение, возникающее на матрице световых элементов, может быть зарегистрировано на фотоматериалах и в дальнейшем восстановлено рассмотренным выше способом.

Голограмму от сложных предметов рассматривают как суперпозицию зонных решеток Френеля, образованных каждой точкой предмета. Она имеет сложную интерференционную картину, «трансформация» которой в оптическую голограмму происходив в соответствии с описанной схемой.

Одно из главных преимуществ голографических устройств состоит в возможности получения высокой разрешающей способности по угловым координатам и дальности при одновременном обзоре значительных областей пространства. Зона наблюдения голографической РЛС определяется шириной луча каждого элемента или шириной луча передающей антенны.

Голографирование сигналов позволяет хотя бы в принципе реализовать потенциальную разрешающую способность

(кликните для просмотра скана)

Рис. 8.18.

всей приемной антенной системы, состоящей из элементов. Как следствие этого снижается эффективность «угловых» помех различных типов, создаваемых из точек пространства вне цели.

Голографическая обработка радиосигналов, используя высокую разрешающую способность в сочетании со вторичной обработкой, позволяет также осуществлять эффективную фильтрацию имитирующих помех.

По отношению к любым типам некогерентных помех ГРЛС будет, вести себя как обычная -канальная когерентная РЛС, имеющая время наблюдения, равное времени экспонирования голограммы Тэкса. Шумовые помехи создают на голограмме некогерентный фон, так как время их пространственной когерентности невелико и запись интерференционной картины, порождаемой помеховой и опорной волнами, невозможна. Если помеха имеет ширину спектра то длина когерентности определяется формулой Необходимая для устойчивой записи голограммы длина когерентности определяется временем экспонирования Тэксп и равна Для исключения возможности записи помеховой голограммы необходимо иметь эксп, откуда время экспонирования голограммы тэксп Если то в принципе можно получить точечное изображение источника помех.

Если апертура антенны а число элементов линейного раскрыва то в первом приближении зону одновременного обзора можно определить по формуле В предельном случае, когда получим рад.

Оценим потенциальную разрешающую способность голографической РЛС, исходя из критерия Аббе [163], эквивалентного критерию Релея. Для простоты будем считать, что антенная система РЛС представляет собой решетку с элементарными антеннами размером (рис. 8.18).

Если цель имеет периодическую структуру, т. е. состоит из чередующихся отражающих и неотражающих полос

(квадратов), то под разрешающей способностью понимают наименьший размер между полосами, который может быть воспроизведен данной РЛС. Традиционная РЛС как фильтр пространственных частот имеет граничную пространственную частоту

где Угол определяет то направление, с которого еще возможен прием сигналов.

Цель, представляющая собой линейную пространственную решетку, переизлучает когерентный сигнал РЛС, пространственная частота которого равна Угол определяет направление распространения радиоволн, несущих информацию о пространственной структуре цели. Так как то

Условие разрешения по критерию Аббе записывается в виде [143, 163]

Из получим выражение для потенциальной разрешающей способности

Следовательно, голографическая РЛС позволяет получить разрешение в плоскости антенны, соизмеримое с размером элементарной антенны, гораздо меньшим общего размера антенны Формула (8.4.36) определяет разрешающую способность ГРЛС, работающих в полуактивном режиме. Для РЛС, имеющих одну и ту же приемопередающую антенну, потенциальная разрешающая способность равна

Не следует, однако, думать, что разрешающая способность голографической РЛС не зависит от общего размера апертуры антенны Известно, что при заданном размере угловая разрешающая способность РЛС определяется величиной

Выражения (8.4.38) и (8.4.39) указывают лишь на возможность получения линейной разрешающей способности или на дальностях до целей, определяемых условием фокусирования

Отсюда для заданного линейного разрешения может быть определена дальность на которой реализуется предельное разрешение

Из (8.4.38) и (8.4.39) следует, что уменьшение размера элементарной антенны приводит к улучшению разрешающей способности и в пределе Сказанное надо понимать в следующем смысле: при любом (малом) размере всегда можно найти способы обработки, которые позволяют реализовать предельную разрешающую способность Таким способом является, например, синтезирование апертуры антенны РЛС [136]. При этом для получения заданного разрешения апертура должна синтезироваться в соответствии с условием (8.4.40), т. е. что полностью согласуется с критерием Релея [160, 143, 163]. Голографические методы обработки сигналов позволяют восстанавливать пространственный образ облучаемого предмета, следовательно, при использовании монохроматического зондирующего сигнала ГРЛС обладают разрешающей способностью по дальности. Для определения ее количественного значения необходимо найти зависимость пространственной частоты голограммы от дальности.

Зондирующий сигнал РЛС можно записать в виде

Сигнал, принятый элементарной антенной

где задержка сигнала, принятого элементом антенны с текущей координатой При

С учетом (8.4.44) сигнал (8.4.43) запишется в виде

где

Для получения голограммы в приемном устройстве сигналы и и складываются и детектируются квадратичным детектором, в результате чего образуется выходной сигнал, характеризующий одномерную голограмму (одномерную зонную картину Френеля)

Зависимость пространственной частоты от координаты дальности по апертуре антенны будет определяться соотношением

Если размер апертуры равен то принятый сигнал будет занимать по координате полосу пространственных частот

где Отсюда

Следовательно, РЛС имеет линейную разрешающую способность по дальности

Квадратичная зависимость разрешающей способности от дальности до разрешаемых объектов имеет простое физическое объяснение. Поскольку носителем информации о всех трех координатах объекта является зафиксированная на голограмме интерференционная картина поля, число воспроизводимых раздельно деталей объекта оказывается фиксированным. С увеличением число деталей, находящихся в поле зрения ГРЛС, растет пропорционально следовательно, различить можно лишь те детали, линейные размеры которых возрастут также в раз.

На больших дальностях разрешающая способность существенно ухудшается. Однако сам факт наличия разрешения по дальности при работе с непрерывными сигналами говорит о возможности улучшения характеристик РЛС при действии помех. Так, голографические системы имеют лучшие возможности фильтрации пассивных помех по сравнению с обычными РЛС, работающими с непрерывными сигналами.

Определим отношение помеха/сигнал на выходе системы обработки при действии пассивных помех.

В оптимальных ГРЛС, осуществляющих фокусирование приемной антенной решетки на каждую цель, система обработки изменяет фазу сигнала в соответствии с изменением дальности до цели. Эта операция, называемая фокусированием антенны, позволяет скомпенсировать квадратичный фазовый сдвиг сигналов, возникающий в элементах приемной решетки из-за изменения фазы принимаемого сигнала по раскрыву.

При голографической обработке сигналы складываются в плоскости отображения с учетом их фаз, поэтому на выходе ГРЛС получим

где сигналы и помехи на входе элементарных антенн; число элементов решетки, С учетом фокусирования

Мощность полезного сигнала при сопротивлении нагрузки 1 Ом

где мощность полезного сигнала на входе канала.

Будем считать пассивные помехи белым пространственно-временным шумом со спектральной плотностью Облако этих помех перекрывает диаграмму

элементарной антенны. Тогда, представляя ГРЛС фильтром пространственных частот с граничной частотой, определяемой формулой (8.4.35) сомгшс получим, что интервал области пространственной корреляции на плоскости радиоголограммы (антенны) составляет

Полученное равенство указывает, что интервал корреляции равен размеру элементарной антенны. Это позволяет считать помеховые сигналы в отдельных каналах ГРЛС некоррелированными. Поэтому мощность помех при сопротивлении нагрузки 1 Ом

где мощность помехи на входе элементарного канала. Из (8.4.50) и (8.4.51) получим отношение помеха/сигнал

Следовательно, для антенной решетки из элементов фокусирование позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе системы в раз, так как сигналы в сумматоре складываются когерентно, а шумы — некогерентно.

Если средняя концентрация элементарных отражателей в единичном объеме, то удельная ЭПР облака равна

где - ЭПР одного диполя. Объем разрешения РЛС

Здесь линейная разрешающая способность по азимуту; линейная разрешающая способность по углу места; разрешающая способность по дальности; размеры апертуры приемной антенной решетки; гяач — начальное расстояние до цели.

С учетом (8.4.53) для суммарной объема разрешения получаем

Мощность помехи на выходе элементарной антенны ГРЛС

где мощность передатчика ГРЛС; - коэффициент усиления передающей антенны; А — эффективная площадь антенны.

Мощность полезного сигнала

С учетом (8.4.55) и (8.4.56) получим

Для «плотных» антенных решеток, у которых расстояние между отдельными элементами составляет число элементарных антенн

Из (8.4.54), (8.4.57) и (8.4.58) находим

Пусть Тогда принимая во внимание, что для оптимальных ГРЛС с фокусированными антеннами

получим

Выражение (8.4.61) показывает, что отношение помеха/сигнал на выходе ГРЛС может быть существенно уменьшено при увеличении апертуры антенны. Рост отношения помеха/сигнал с уменьшением расстояния до цели объясняется тем, что у фокусированных ГРЛС апертура выбирается в соответствии с выражением (8.4.60).

Для РЛС, у которых апертура антенной решетки постоянна, из (8.4.59) получим

В этом случае и отношение помеха/сигнал может быть существенно снижено на малых расстояниях до цели.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление