RU135816U1

RU135816U1 - DEVICE FOR FORMING REVIEW AREAS IN A TWO-POSITION RADAR WITH A SYNTHESIZED Aperture

Info

Publication number: RU135816U1
Application number: RU2013126895/07U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Переслегин; Дмитрий Валерьевич Ивонин; Заур Анверович Халиков; Бертран Жорж Альбер Шапрон
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2013-12-20

Abstract

Устройство формирования зон обзора в двухпозиционном радиолокаторе с синтезированной апертурой (РСА), использующем квазизеркальный режим отражения радиосигнала морской поверхностью при заданном угле сноса космического аппарата (косо-боковой обзор), включающее приемную антенну, приемное устройство с выходом импульсного радиосигнала на несущей частоте f, поступающего на стробирующий каскад и далее на синтезатор азимутальной диаграммы направленности антенны, синхронизатор стробирующего и накапливаемых импульсов, генератор опорного синтезирующего сигнала на несущей частоте fи вычислитель формирования азимутальной строки изображения, выполняющий также функции накопителя заданного числа когерентных импульсов, отличающееся тем, что в него введены генератор непрерывного сигнала на частоте F, согласованной с углом сноса аппарата, модулятор сдвига частоты fопорного синтезирующего сигнала на частоту Fгенератора непрерывного сигнала и частотный дискриминатор, выход модулятора подключен к синтезатору, выход синтезатора к частотному дискриминатору, выход дискриминатора к вычислителю, время и длительность стробирования приемника согласованы с положением зеркальной точки зоны обзора и требуемым интервалом защиты от прямого излучения.A device for forming viewing zones in a two-position synthesized aperture (SAR) radar that uses the quasi-mirror mode of reflection of the radio signal by the sea surface at a given angle of drift of the spacecraft (oblique side view), including a receiving antenna, a receiving device with an output of a pulsed radio signal at the carrier frequency f, incoming to the gating cascade and further to the synthesizer of the azimuthal radiation pattern of the antenna, the synchronizer of the gating and accumulated pulses, the reference oscillator an integrating signal at the carrier frequency f and an azimuthal image line calculator that also functions as a drive for a given number of coherent pulses, characterized in that a continuous signal generator at a frequency F adapted to the drift angle of the apparatus, a frequency modulator of the reference synthesizing signal f to the generator frequency F are introduced into it continuous signal and frequency discriminator, the output of the modulator is connected to the synthesizer, the output of the synthesizer to the frequency discriminator, the output of the discriminator to the calculator, the time and duration of the gating of the receiver are consistent with the position of the mirror point of the viewing area and the required protection interval from direct radiation.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к радиолокации поверхности океана и может быть использовано в радиолокационной системе обзора морской поверхности при мониторинге изменчивых океанских явлений (например, геострофических течений), а также для оперативного прогноза опасных явлений - сейсмических волн (образующих цунами), штормовых волн и экстремальных волн зыби (т.н. «волн-убийц»).The proposed technical solution relates to radar surface of the ocean and can be used in the radar system for the review of the sea surface when monitoring variable ocean phenomena (for example, geostrophic currents), as well as for the operational forecast of dangerous phenomena - seismic waves (forming tsunamis), storm waves and extreme waves swell (the so-called "killer waves").

Известны системы космической радиолокации, содержащие радиолокационные аппараты на орбите с приемными и излучающими антеннами [1, 2, 3]. В известных однопозиционных системах радиолокационного обзора при синтезировании апертуры антенны необходимо вводить с необходимой точностью параметры облучающего сигнала, параметры орбиты (высоту H и скорость аппарата W_x), обеспечивать угломестное сканирование луча антенны - однако максимальная ширина зоны обзора не превышает 0,3 H. При зондировании слабоотражающей морской поверхности из космоса средняя излучаемая мощность однопозиционного локатора достигает 1 Квт.Known space radar systems containing radar devices in orbit with receiving and radiating antennas [1, 2, 3]. When synthesizing the aperture of an antenna, in well-known one-position radar-viewing systems, it is necessary to introduce the parameters of the irradiating signal, orbit parameters (height H and speed of the apparatus W _x ) with the necessary accuracy, and to provide elevational scanning of the antenna beam - however, the maximum width of the field of view does not exceed 0.3 H. sounding a low-reflecting sea surface from space, the average radiated power of a single-position locator reaches 1 kW.

В качестве прототипа выбран «Двухпозиционный радиолокатор для оперативного мониторинга океанских явлений из космоса» (патент РФ на изобретение №2447457), содержащий приемные и излучающие антенны, генератор излучаемого сигнала, СВЧ приемник, устройства синхронизации, антенный коммутатор и синтезатор диаграммы направленности приемной антенны [4]. Способ позволяет существенно (на порядок) расширить зону обзора (до 3 H) без применения угломестного сканирования и существенно снизить мощность излучения (до 40 вт). Способ заключается в выводе двух идентичных аппаратов на равновысотные околополярные орбиты, сильно разнесенные по долготе (на ~30°) и выборе углов визировании морской поверхности, при которых зеркальная точка оказывается в центре зоны обзора, а отраженный сигнал обусловлен «бликовой дорожкой» с высоким (порядка единицы) френелевским коэффициентом отражения.As a prototype, “On-off radar for operational monitoring of ocean phenomena from space” was selected (RF patent for the invention No. 2447457), comprising receiving and emitting antennas, a radiated signal generator, a microwave receiver, synchronization devices, an antenna switch and a radiation pattern synthesizer of the receiving antenna [4 ]. The method allows to significantly (by an order of magnitude) expand the field of view (up to 3 H) without the use of elevation scanning and significantly reduce the radiation power (up to 40 W). The method consists in placing two identical vehicles into equal-altitude circumpolar orbits, strongly spaced in longitude (by ~ 30 °) and choosing the viewing angles of the sea surface at which the mirror point appears in the center of the viewing area and the reflected signal is caused by a high-reflection “track” ( of the order of unity) by the Fresnel reflection coefficient.

Одной из особенностей предлагаемого в прототипе метода визирования поверхности является невозможность разделения левой и правой (относительно зеркальной точки) зон обзора по времени прихода импульса, ибо измеряемая наклонная дальность оказывается для этих зон одинаковой. Разделение же зон при использовании пространственной селекции, т.е двухлучевой приемной антенны (что и предполагается в прототипе) - является чрезвычайно сложной задачей, ибо необходимая развязка (порядка 30дБ) между сигналами приемных антенн такого типа вряд ли достижима. Именно это обстоятельство является, на наш взгляд, недостатком прототипа, который следует устранить.One of the features of the method of surface sighting proposed in the prototype is the impossibility of separating the left and right (relative to the mirror point) viewing zones by the time of arrival of the pulse, because the measured slant range is the same for these zones. Separation of zones using spatial selection, i.e., a two-beam receiving antenna (which is assumed in the prototype) is an extremely difficult task, because the necessary isolation (of the order of 30 dB) between the signals of receiving antennas of this type is hardly achievable. This circumstance is, in our opinion, the disadvantage of the prototype, which should be eliminated.

Технический результат заключается в повышении эффективности частотной селекции зон обзора по сравнению с пространственной селекцией, где сложно обеспечить требуемую развязку двух рядом расположенных слабонаправленных антенн, за счет создания устройства частотного разделения зон обзора при квазизеркальном двухпозиционном зондировании морской поверхности.The technical result consists in increasing the efficiency of the frequency selection of viewing areas compared to spatial selection, where it is difficult to provide the required isolation of two adjacent weakly directed antennas by creating a device for frequency separation of viewing areas with quasi-mirror two-position sounding of the sea surface.

На фиг.1 показана геометрия двухпозиционного визирования с искусственным углом сноса («косо-боковой» обзор).Figure 1 shows the geometry of the two-position sighting with an artificial drift angle ("oblique-side" review).

Из рисунка видно, как располагается суммарная зона обзора по отношению к симметрично расположенным аппаратам. Область вблизи зеркальной точки (3), где резко ухудшено разрешение по дальности, должна быть исключена из зоны обзора еще и потому, что только таким способом можно защититься от попадания в приемную антенну длинного (несжатого) импульса от излучающей антенны. Схема синхронизации излучаемого и принимаемого сигналов приведена на фиг.2.The figure shows how the total viewing area is located in relation to symmetrically located devices. The area near the mirror point (3), where the resolution in range is sharply worsened, should be excluded from the field of view also because only in this way can one protect oneself from getting a long (uncompressed) pulse from the radiating antenna into the receiving antenna. The synchronization circuit of the emitted and received signals is shown in figure 2.

Принцип частотного разделения зон обзора основан на особенности двухпозиционного зондирования поверхности по схеме фиг.1, которая заключается в различии знака доплеровского сдвига, обусловленного углом сноса аппарата, для областей, лежащих слева и справа от зеркальной точки. Вследствие этого эффекта доплеровские спектры сигналов от неподвижных участков поверхности, лежащих по разные стороны от зеркальной точки, могут быть разделены путем искусственного смещения частоты опорного синтезирующего сигнала на малую величину F₀соответствующую удвоенному доплеровскому сдвигу за счет угла сноса:The principle of frequency separation of the viewing zones is based on the features of on-off surface sensing according to the scheme of Fig. 1, which consists in distinguishing the sign of the Doppler shift due to the drift angle of the apparatus for areas lying to the left and right of the mirror point. Due to this effect, the Doppler spectra of signals from fixed parts of the surface lying on opposite sides of the mirror point can be separated by artificially shifting the frequency of the reference synthesizing signal by a small value F ₀ corresponding to a doubled Doppler shift due to the drift angle:

,

где W_x - скорость аппарата, λ - длина волны излучения, ψ - угол сноса, γ - угол визирования поверхности.where W _x is the speed of the apparatus, λ is the radiation wavelength, ψ is the drift angle, γ is the angle of sight of the surface.

В условиях, соответствующих фиг.1, при допустимом (и строго фиксированном) угле сноса ψ=5°, частота F₀ получается около 50 КГц - что на порядок превышает возможную ширину доплеровского спектра отраженного сигнала, включая быстро-движущиеся объекты.Under the conditions corresponding to Fig. 1, with an acceptable (and strictly fixed) drift angle ψ = 5 °, the frequency F ₀ is about 50 KHz - which is an order of magnitude greater than the possible width of the Doppler spectrum of the reflected signal, including fast-moving objects.

Положение зон обзора в частотной области на выходе синтезатора показано на фиг.3.The position of the viewing areas in the frequency domain at the output of the synthesizer is shown in figure 3.

На фиг.4 приведена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из приемной антенны (1), СВЧ приемника (2) с выходом на несущей частоте f₀, генератора опорного синтезирующего сигнала на той же частоте (3), синхронизатора (4), стробирующего каскада (5), генератора частоты сдвига F₀ (6), модулятора сдвига (7) с выходом опорного сигнала на несущей частоте f₀+F₀, синтезатора (8), частотного дискриминатора (9) и вычислителя (10), выполняющего функции когерентного накопителя импульсов за время синтеза и формирования азимутальной строки РЛ изображения. Буквами а и б обозначены ввод внешнего синхроимпульса и выход на дисплей радиолокатора, в - ввод величины угла сноса. Остальные функциональные элементы радиолокатора, относящиеся к излучению сигнала, когерентному сжатию сигнала по дальности и формированию строки дальности здесь не показаны.Figure 4 shows the functional diagram of the proposed device. The device consists of a receiving antenna (1), a microwave receiver (2) with an output at the carrier frequency f ₀ , a reference synthesizing signal generator at the same frequency (3), a synchronizer (4), a gating stage (5), and a shear frequency generator F ₀ (6), a shift modulator (7) with the output of the reference signal at the carrier frequency f ₀ + F ₀ , a synthesizer (8), a frequency discriminator (9) and a computer (10) that performs the functions of a coherent pulse storage device during the synthesis and formation of the azimuthal string Radar image. The letters a and b indicate the input of the external clock and the output to the radar display, c - the input of the drift angle. The remaining functional elements of the radar related to signal emission, coherent compression of the signal by range and the formation of a range line are not shown here.

Устройство работает следующим образом. Импульсный сигнал с выхода приемника (2) стробируется в каскаде (5) и поступает на вход синтезатора (8), где происходит синтез азимутальной диаграммы направленности антенны, т.е. свертка принимаемого сигнала с опорным сигналом, вырабатываемом блоком (3) для каждой строки дальности. Квадратурные составляющие сигнала с выхода синтезатора поступают в блок вычислителя (10), где накапливаются в соответствии с заданным временем синтеза и формируют азимутальную строку радиолокационного изображения. Синхронизация времени стробирования приемника, параметров опорного сигнала и длительности синтеза обеспечиваются блоком синхронизации (4), на который вводится внешняя синхронизация. Частотное разделение зон бокового обзора осуществляется сдвигом частоты опорного сигнала в модуляторе (7), на который поступает непрерывный сигнал от генератора (6), частота которого F₀ согласована с величиной угла сноса аппарата, а само разделение обеспечивается частотным дискриминатором (9), включенным между синтезатором (8) и вычислителем (10).The device operates as follows. The pulse signal from the output of the receiver (2) is gated in a cascade (5) and fed to the input of the synthesizer (8), where the azimuthal antenna radiation pattern is synthesized, i.e. convolution of the received signal with the reference signal generated by the block (3) for each row of the range. The quadrature components of the signal from the output of the synthesizer enter the calculator unit (10), where they are accumulated in accordance with the set synthesis time and form the azimuthal line of the radar image. The synchronization of the receiver gating time, the parameters of the reference signal and the duration of the synthesis are provided by the synchronization unit (4), to which external synchronization is introduced. The frequency separation of the side-view zones is carried out by shifting the frequency of the reference signal in the modulator (7), which receives a continuous signal from the generator (6), the frequency of which F _{0 is} consistent with the drift angle of the apparatus, and the separation itself is provided by the frequency discriminator (9) included between a synthesizer (8) and a computer (10).

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:Sources of information taken into account when preparing the application:

1. US Patent G01S 13/90, No 6.452.532, September 17, 2002. Apparatus and method for microwave interferometry radiating incrementally accumulating holography, inventor Grisham W.H.1. US Patent G01S 13/90, No 6.452.532, September 17, 2002. Apparatus and method for microwave interferometry radiating incrementally accumulating holography, inventor Grisham W.H.

2. US Patent G01S 13/90, No 6.677.884, January 13, 2004. Satellite configuration for interferometric and/or tomographic remote sensing by means of synthetic aperture radar (SAR), inventors Moreira A., Krieger G, Mittermaier J.2. US Patent G01S 13/90, No. 6.677.884, January 13, 2004. Satellite configuration for interferometric and / or tomographic remote sensing by means of synthetic aperture radar (SAR), inventors Moreira A., Krieger G, Mittermaier J.

3. US Patent G01S 13/90, No 11.235.42, May 18, 2005. Method for producing map images of surface sea current velocity vectors and altimetric radar system using the method, inventor Buck C.H.3. US Patent G01S 13/90, No 11.235.42, May 18, 2005. Method for producing map images of surface sea current velocity vectors and altimetric radar system using the method, inventor Buck C.H.

4. Патент РФ на изобретение «Радиолокационный способ оперативной диагностики океанских явлений из космоса» №2447457, приоритет 07.10.2009, выдан 10.04.2012.4. RF patent for the invention "Radar method for the operational diagnosis of ocean phenomena from space" No. 2447457, priority 07.10.2009, issued 10.04.2012.

Claims

A device for forming viewing zones in a two-position synthesized aperture (SAR) radar that uses the quasi-mirror mode of reflection of the radio signal by the sea surface at a given angle of drift of the spacecraft (oblique side view), including a receiving antenna, a receiving device with an output of a pulsed radio signal at the carrier frequency f ₀ , entering the gating cascade and then to the synthesizer of the azimuthal radiation pattern of the antenna, the synchronizer of the gating and accumulated pulses, the reference generator a synthesizing signal at a carrier frequency f ₀ and an azimuthal image line generation calculator that also functions as a drive for a given number of coherent pulses, characterized in that a continuous signal generator at a frequency F ₀ matched with the drift angle of the apparatus, a frequency shift modulator f ₀ reference the synthesizing signal to the frequency F _{0 of} the continuous signal generator and the frequency discriminator, the modulator output is connected to the synthesizer, the synthesizer output to the frequency discriminator, the output is discrim inator to the calculator, the time and duration of the gating of the receiver are consistent with the position of the mirror point of the field of view and the required interval of protection against direct radiation.