Метод синтезированной апертуры, позволяющий искусственно увеличить размер антенны РЛС *, установленной на движущемся носителе и повысить тем самым разрешающую способность станции, представляет интерес для специалистов, работающих в области голографии. Этот интерес обусловлен прежде всего тем, что метод синтезированной апертуры является, по существу, разновидностью голографического метода регистрации волновых фронтов. Интересно также отметить, что разработчики этого метода - группа американских радиоинженеров, не были знакомы с принципами голографии и пришли к голографическому методу, пытаясь усовершенствовать РЛС, установленные на самолетах. При этом Лейтом и Упатниексом была предложена схема регистрации голограмм с внеосевым референтным пучком и получены высококачественные голограммы в оптическом диапазоне спектра. Эти результаты, в свою очередь, способствовали повышению интереса к голографии и бурному ее развитию.

Метод синтезированной апертуры достаточно подробно рассмотрен в существующей литературе. В частности, его теоретическое обоснование mosho найти в книге А.П.Реутова и других авторов /1/. Поэтому мы кратко напомним этот метод, касаясь лишь тех его особенностей, которые необходимы для анализа устройств когерентной оптической обработки радиосигналов. В общих чертах РЛС с синтезированной апертурой представляет собой импульсный когерентный радар,

* Радиолокационная станция.

-157 -

который устанавливается на движущемся носителе. Приемо-передающая антенна радара повернута на угол, близкий к 90° по отношению к вектору скорости носителя (рис.1). Гетеродин станции вырабатывает гармонические колебания строго фиксированной частоты, которыми заполняются импульсы, излучаемые через антенну радара. Отражаясь от местности, эти импульсы поступают в приемный тракт РЛС, где после усиления смешиваются с сигналами гетеродина с учетом фаз.

1) регистрация голограммы местности осуществляется путем сканирования волнового поля в направлении движения носителя РЛС. При этом сканирующим приемником является антенна РЛС;

2) облучение объекта (в нашем случае местности) осуществляется не непрерывно во времени, а с помощью коротких импульсов излучения РЛС.

- 158 -

Каждый из таких импульсов, отражается последовательно от различных участков местности, расположенных на разных расстояниях от траектории дарения носителя, и поступает в приемный тракт РЛС, где складывается с непрерывно генерируемым излучением гетеродина станции. В результате, в каждой точке траектории движения носителя регистрируется последовательно во времени, целая совокупность голограмм. Каждая из голограмм такой совокупности хранит изображение узкой полоски местности, характеризующееся определенным значением дальности Д. Ширина отдельной полоски (D Д на рис.1) определяется пространственной протяженностью импульсов РЛС, а вся совокупность голограмм в целом способна восстановить изображение полосы местности шириной Д_max-Д_min более 10 км.

Сущность метода синтезирования апертуры с точки зрения эквивалентной голографической схемы заключается в регистрации радиоголограммы местности на большом участке траектории движения носителя. Как известно, предельная угловая разрешающая способность, которая может быть реализована в изображении, зарегистрированном с помощью голограммы, ограничивается дифракцией излучения на краях самой голограммы. В то же время разрешающая способность РЛС лимитируется дифракцией на антенне, размеры которой весьма ограничены. Поэтому, зарегистрировав радиоголограмму на большом участке траектории движения носителя, мы можем тем самым повысить разрешающую способность РЛС.

Последующая обработка зарегистрированных радиосигналов ставит своей целью получение оптического двумерного изображения облучаемой локатором местности и делится на 2 этапа. На первом этапе радиоголограммы преобразуются в оптические голограммы, зарегистрированные на фотоматериале. На втором этапе осуществляется реконструкция оптических голограмм с помощью когерентного источника видимого спектра.

Преобразование радиоголограмм в оптическую голографическую запись осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки с однострочной разверткой. Линия развертки ЭЛТ проецируется с помощью репродукционного объектива L на фотопленку П₁, движущуюся со скоростью (см.рис.2). Причем, каждая из точек этой линии изменяет свой яркость во времени в такт с изменениями интенсивности

-159 -

в соответствующей радиоголограмме. Аналогичным способом осуществляется запись для всех остальных точек линии развертки. В результате проявленная и отфиксированная фотопленка представляет собой набор одномерных оптических голограмм. узких полосок местности, полученных путем визуализации соответствующих радиоголограмм. Причем, масштаб голографической записи на фотопленке по отношению к радиоголограммам равен отношению скоростей движения фотопленки - и носителя РЛС - v_h:

В силу одномерности голографической записи восстановленное изображения в рассматриваемом случае не может быть осуществлено столь же просто, как это имеет место в обычной голографии. Там при освещении голограммы излучением когерентного источника голограмма фокусирует это излучение, образуя изображение объекта без вспомогательных оптических устройств.

В рассматриваемом случае первичная голографическая запись в одном из сечений (1 гл. сеч.) также обладает фокусирующими свойствами и образует изображения элементарных полосок местности.

- 160 -

Причем, расстояние от голограммы до восстановленного изображения - d оказывается пропорциональным расстоянию Д, от траектории движения носителя до соответствующих полосок на местности:

d = m_d× Д (2)

а l L и l _о - длины волн излучения РЛС и лазера, соответственно. Отметим, что величина Д изменяется в пределах полосы обзора, а, следовательно первичная запись характеризуется набором расстояний d.

В другом главном сечении, перпендикулярном первому (ii гл. сеч.), первичная запись не обладает фокусирующим свойствами, а потому П₁ в целом не восстанавливает изображение местности. Тем не менее, изображение местности может быть восстановлено, если использовать при оптической обработке астигматические оптические системы. Принцип действия такой оптики поясним с помощью рис.3.

- 161 -

В плоскости ii главного сечения оптическая система представляет собой цилиндрический объектив L ₂ и проецирует плоскость П₁ на П₂. В плоскости i главного сечения система представляет собой также цилиндрический объектив L ₁ однако в отличие от L ₂ он проецирует на П₂ промежуточные изображения элементарных полосок местности, восстановленные с помощью одномерных голограмм. При совместном действии оптической системы в обоих главных сечениях изображения полосок местности располагаются на вторичной фотопленке ii той же последовательности, что и сами полоски на местности и в результате образуется двумерное изображение местности. Отметим попутно, что ширина элементарной полоски в изображении на П₂ равна элементу разрешения в изображении. Подобная схема была опубликована в работе Хоефера /2/. Другая возможная схема построения устройства оптической обработки приведена в работе Катроны и др. авторов /3/. Схема состоит из трех оптических компонентов: конического - L ₁, цилиндрического - L ₂ и сферического - L ₃. В плоскости i главного сечения оптическая сила цилиндрического компонента L ₂ равна нулю, а конический компонент L ₁ совместно со сферическим - L ₃ образует астигматический объектив, который проецирует изображения элементарных полосок, восстановленные с помощью одномерных голограмм, на вторичную фотопленку П₂. При этом положение конического компонента L ₁ относительно П₁ и закон изменения фокусных расстояний L ₁ по высоте конуса выбирают таким образом, что для каждой одномерной голограммы на П₁ восстановленное с ее помощью изображение полоски местности располагается в фокальной плоскости L ₁. Тогда изображение этих полосок образуется в задней фокальной плоскости сферического компонента L ₃, где и устанавливают вторичную фотопленку.

В плоскости П главного сечения цилиндрический компонент L ₂ совместно со сферическим - L ₃ образует астигматический объектив, который проецирует изображение первичной фотопленки на вторичную. Причем, передняя фокальная плоскость компонента L ₂ совпадает с плоскостью первичной фотопленки.

Обе рассмотренные схемы обладают общими существенным недостатком: масштаб изображений, полученных с их помощью, оказывается различным для различных элементарных полосок на местности. Необходимость

- 162 -

равномасштабного преобразования изображения в подобных устройствах вытекает из того требования, что изображение местности должно регистрироваться на вторичную фотопленку непрерывно по мере того, как в поле зрения локатора попадают все новые участки местности. Поэтому регистрация изображения на П₂ осуществляется в процессе движения самой пленки. Естественно, что если осуществляется равномасштабное преобразование, то все элементы изображения движутся с одинаковой скоростью и такое изображение можно регистрировать на движущуюся П₂, если скорость ее движения равна скорости движения из обращения. При неравномасштабном преобразовании, изображения различных полосок местности движутся с различными скоростями и изображение будет смазываться.

Покажем, что рассмотренные выше схемы не обеспечивают равномасштабное преобразование. Действительно, масштабное преобразование изображения в плоскости i главного сечения осуществляется на двух этапах: на этапе преобразования радиоголограммы в оптическую голографическую запись на П₁ (обозначим этот масштаб через М_А) и на этапе проецирования изображений, восстановленных одномерными голограммами, на плоскость П₂ (этот масштабный коэффициент равен поперечному увеличении оптической системы в плоскости i главного сечения - v_i). Общий масштаб преобразования определяется произведением М_А на v_i:

М = М_А× v_i (3)

Из трансформационных свойств голограмм /4/ следует, что, если при записи и реконструкции голограммы используются плоские опорные волны, то остается постоянным для данного устройства. Поэтому для осуществления равномасштабного преобразования необходимо, чтобы v_i было также постоянным для всех элементов изображения. Основная трудность, которая возникает при обеспечении условия v_i= const связана с тем, что восстановленные голограммы изображения полосок местности располагаются на различных расстояниях d от плоскости П₁, пропорциональных Д (см. формулу 2). Поэтому для осуществления равномасштабного преобразования необходимо, чтобы v_i= const не для одной пары сопряженных плоскостей, а для целого набора таких пар. Как известно, поперечное

- 165 -

увеличение обычных объективов изменяется с изменением положения сопряженных плоскостей. Этим, в частности, объясняется неравномасштабность преобразования изображения в схеме на рис.3. Поперечное увеличение оптической системы с коническим элементом (рис.4) в плоскости i главного сечения определяется отношением ¦ ₃^' к ¦ ₃: и также непостоянно, поскольку величина ¦ ₁ изменяется по высоте конуса.

При неравномасштабном преобразовании изображения различных полосок местности движутся с различными скоростями изображение будет смазываться при регистрации на П₂. Для устранения смазывания изображения в схемах на рис.3 и 4 регистрацию изображения на вторичную фотопленку осуществляют через узкую щель Щ шириной, меньше чем элемент разрешения в изображении. Это приводит к ухудшению разрешающей способности в изображении и к уменьшению отношения сигнал/шум. Кроме того, нерационально используется энергия излучения лазера и энергетический потенциал РЛС.

Следующая из рассматриваемых нами схем (рис.5), опубликованная Петерсоном /5/, способна осуществить равномасштабное преобразование изображения и свободна от перечисленных недостатков. Главная

- 164 -

особенность этой схемы состоит в том, что в плоскости i главного сечения в ней вместо обычного объектива используется телескопическая оптическая система. Поперечное увеличение такой системы, как известно, не зависит от положения сопряженных плоскостей, а определяется отношением фокусных расстояний объектива и окуляра. Телескопическая система L ₁, L ₂ проецирует в плоскости первого главного сечения восстановленные одномерными голограммами изображения полосок местности на "плоскость промежуточных изображений". Наклон этой плоскости относительно плоскости П₁ во втором главном сечении связан с тем, что различные одномерные голограммы восстанавливают изображения на различных расстояниях от плоскости П₁. Цилиндрические линзы L ₃ и L ₄ установленные за телескопической системой, образуют астигматическую систему, которая переносит изображение с наклонной плоскости "промежуточных изображении", на плоскость П₂, ориентированную перпендикулярно к оптической оси системы. В плоскости П главного сечения репродукционный цилиндрический объектив L _r проецирует плоскость первичной фотопленки на вторичную фотопленку.

- 165 -

1. А.П.Реутов. Б.А.Михайлов. Г.С.Кондратенков, Б.В.Бойко. Радиолокационные станции бокового обзора. "Советское радио", 3, 1970.