Широкополосные измерения спектра для радара с синтезированной апертурой

Геометрия измерений маршрутной карты SAR

Апертура зависит от скорости летательного аппарата (v) и времени установления SAR (t_int). После интеграции импульсов в течение времени t_int SAR создает текущую карту местности и одновременно с этим интегрирует импульсы для следующего снимка.

Формулы расчета разрешения SAR

Разрешающая способность по дальности (ΔR) рассчитывается по формуле:

Где c = скорость света, BW = ширина полосы пропускания ЛЧМ-импульсов в сигналах SAR. Чем больше полоса пропускания ЛЧМ-импульсов, тем выше разрешающая способность по дальности. Зачастую требуется разрешающая способность по дальности менее одного метра.

Разрешающая способность по боковой дальности (ΔCR) рассчитывается по формуле:

Где λ = длина волны радара, R = расстояние до картографируемого участка, LSynth = длина синтезированной апертуры, которая равна произведению скорости летательного аппарата ) (v) и времени установления (t_int).

Области применения и диапазоны систем SAR

Радары SAR применяются в диапазонах УВЧ, X, W и т. д. Длина волны SAR зависит от конкретной задачи. Диапазон X, как правило, используется для изображений SAR с высоким разрешением на городской или покрытой льдом и снегом местности. Атмосферное поглощение допустимо в диапазоне X, тогда как в диапазоне К оно недопустимо по причине поглощения водяными парами. Диапазоны УВЧ и S подходят для измерения биомассы и растительности. Диапазон L пригоден для обнаружения целей в лесных массивах и поэтому применяется для географических измерений древних городов или пластов горных пород под пологом леса [1]. Интересные новые области применения возможны в миллиметровых диапазонах 94 ГГц, 140 ГГц, 220 ГГц и 235 ГГц, например, видеорадары с синтезированной апертурой для посадки летательных аппаратов в условиях недостаточной видимости. Эти SAR работают с более широкой полосой пропускания сигналов для повышения разрешения.

В новых радарах SAR и во всех радиолокационных системах все чаще используются активные фазированные антенные решетки с электронным сканированием (AESA). Как правило, AESA представляет собой двухмерную решетку из модулей приема-передачи (TRM). Каждый модуль TRM содержит циркулятор, усилитель мощности, фазовращатель и коммутатор. Цифровой формирователь диаграммы направленности электронным способом управляет модулями TRM, сообщая отдельным TRM или подмассивам TRM приемлемые значения амплитуды и фазы. Формирователь диаграммы направленности также применяет функции сужения апертуры (например, окно Хеннинга) для уменьшения ширины диаграммы направленности и боковых лепестков. Приемник/возбудитель на основе стабильной опорной фазы обеспечивает питание решетки. Отраженные радиолокационные сигналы можно сравнивать по фазе с опорным сигналом в целях измерения доплеровского сдвига.

Модули TRM разрабатываются для всех перечисленных выше миллиметровых диапазонов и изготавливаются из различных материалов, таких как фосфид индия (InP), нитрид галлия (GaN), сплав кремния и германия (SiGe) и кремний.

Решение компании Rohde & Schwarz

Системные испытания радаров все чаще проводятся посредством эфирных измерений, поскольку данная процедура проще, чем зондирование модулей TRM с помощью анализатора цепей, а также обеспечивается более плотная интеграция между AESA и приемником/возбудителем радара. Далее показана типичная схема эфирных испытаний с радаром в антенной испытательной камере. Для измерений используется рупорная антенна со стандартным коэффициентом усиления, которая подключается к анализатору сигналов и спектра R&S®FSW.

Анализатор спектра и сигналов R&S®FSW имеет наиболее широкую полосу анализа для измерений радаров SAR в значительной части диапазона W. Это позволяет проводить измерения спектра с качанием частоты, реальной преселекцией и подавлением помех от зеркального канала, а также масштабируемый векторный анализ сигналов, анализ импульсов и анализ переходных процессов с полосой пропускания 4,4 ГГц в диапазоне от 12 ГГц до 18 ГГц и 6,4 ГГц или 8,3 ГГц в диапазоне выше 18 ГГц.

Приложение для импульсных измерений R&S®FSW-K6 позволяет измерять амплитуду, длительность импульса, период повторения импульса, частоту и фазу для импульсных радиолокационных сигналов. Статистика этих измерений помогает выявлять межимпульсные неустойчивости, описываемые в справочнике по радиолокации М. Сколника [2]. Межимпульсная фазовая неустойчивость ввиду фазового шума описывается в руководстве по применению «Измерения импульсного фазового шума» от Rohde & Schwarz [3].

В дополнение к межимпульсной статистике, в приложении R&S®FSW-K6 можно использовать опцию измерения боковых лепестков во временной области R&S®FSW-K6S, чтобы измерять фазовые нелинейности в импульсных радиолокационных сигналах и таким образом выявлять проблемы в антенной решетке или на дальнейшем участке ЦАП. Нелинейности в ЛЧМ-импульсах могут быть обусловлены интегральной нелинейностью (INL) ЦАП, преобразованием АМ в ЧМ в усилителях мощности или контактными коммутаторами в модулях TRM. Данное явление описывается в руководстве по применению «Измерения боковых лепестков во временной области для оптимизации характеристик радиолокационной системы» (PD 3607.2626.92) [4] от Rohde & Schwarz.

И наконец, приложение для анализа переходных процессов R&S®FSW-K60 описывается в руководстве по применению «Автоматизированные измерения FMCW-сигналов РЛС на частоте 77 ГГц» [5] от Rohde & Schwarz. Данное приложение можно использовать для анализа широкополосных непрерывных сигналов с частотной модуляцией для радаров SAR.

Библиография

[1] Kelsey Herndon, Franz Meyer, Africa Flores, Emil Cherrington, Leah Kucera. Статья в соавторстве с Earth Science Data Systems. Иллюстрации Leah Kucera. Дата публикации: 16 апреля 2020 г. Название «What is Synthetic Aperture Radar?». NASA Earthdata. Доступ 15 ноября 2020 г. по адресу earthdata.nasa.gov/learn/what-is-sar

[2] Skolnik, Merrill I (22 января 2008 г.). «Radar Handbook» – 3-е пересмотренное и исправленное издание. Нью-Йорк: McGraw Hill

[3] Gheen, Kay (11 мая 2016 г.). Руководство по применению 1EF94 «Измерения импульсного фазового шума». Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/appnote/1EF94

[4] Руководство по применению «Измерения боковых лепестков во временной области для оптимизации характеристик радиолокационной системы» (PD 3607.2626.92, декабрь 2020 г.). Rohde & Schwarz. www.rohde-schwarz.com/applications/time-sidelobe-measurementsoptimize-radar-system-performance-application-card_56279-134857.html

[5] д-р Heuel, Steffen (5 мая 2014 г.). Руководство по применению 1EF88 «Автоматизированные измерения FMCW-сигналов РЛС на частоте 77 ГГц». Rohde & Schwarz. https://www.rohde-schwarz.com/applications/automated-measurements-of-77-ghz-fmcw-radar-signals-application-note_56280-59841.html