Одним из крупнейших достижений современной физики явилось открытие в 1947 году Д.Габором голографии. Основная идея голографии состоит в возможности фиксации на двухмерных и трехмерных регистрирующих средах комплексных амплитуд электромагнитных полей и последующего их воспроизведения /1/. Регистрация комплексных амплитуд света производится на голограммах, представляющих собой фотографическую запись интерференционного рельефа, создаваемого опорной волной и волной, дифрагированной на объекте голографирования.

где ℓ - длина интервала линейного разрешения; l - длина волны; d - размер голограммы; r - расстояние между голограммой и объектом; а - смещение объекта относительно центра голограммы. Из анализа этого выражения следует, что если расстояние между объектом и голограммой стремится к нулю, то в этом случае разрешающая способность голограммы стремится к предельному значению, равному половине длины волны электромагнитных колебаний, облучающих объект. Для получения разрешающей способности, равной длине волны, объект должен располагаться на расстоянии, примерно равном наименьшим линейным размерам голограммы. Что касается объема сцены, в пределах которой изображение восстанавливается с заданной разрешающей способностью, то она в первом приближении определяется размерами голограммы и длиной когерентности источников света. В настоящее время для формирования голограмм можно использовать фотоматериалы площадью не более нескольких квадратных метров и лазеры с длиной когерентности в лучшем случае в несколько сот метров. Например, лазеры ЛГ-149 и ЛГ-159 имеют длину когерентности, равную примерно 100м. При использовании таких лазеров и площади голограммы в 10 м² объем сцены может достигать тысячи кубических метров. А так как размеры сцены определяют размеры голографируемых объектов, то объектами голографирования в оптическом диапазоне могут быть объекты с линейными размерами, не превышающими десятков метров.

При решении многих технических и научных задач возникает необходимость в получении изображений объектов, размещенных на сцене с объемом в десятки и сотни кубических километров. Один из путей увеличения объема сцены состоит в формировании голограмм в радиочастотном диапазоне, в котором источники излучения обладают длиной когерентности в тысячи километров.

В связи с этим возникло одно из направлений голографии - радиоголография. Термином радиоголография обозначают метод регистрации комплексных амплитуд радиоколебаний на

регистрирующих средах и восстановление по ним в оптическом диапазоне полей, подобных зарегистрированным на радиоголограммах. Из этого определения следует, что принцип формирования радиоголограмм тот se, что и в оптической голографии: на регистрирующей среде фиксируется комплексная амплитуда радиоколебаний, рассеянных на объекте голографирования. Как и в оптической голографии, основным условием формирования радиоголограмм является пространственная и временная когерентность зондирующих и опорных колебаний. Однако технические методы формирования радиоголограмм отличаются от методов формирования оптических голограмм. Изменение диапазона частот и методов формирования радиоголограмм приводит к изменению показателей качества восстановленных изображений. Ниже рассмотрены показатели качества изображений, восстановленных по радиоголограммам, а также методы синтезирования радиоголограмм и возможные области их применения.

Как и в оптической голографии, разрешающая способность радиоголограмм определяется отношением длины волны к их апертуре. При формировании радиоголограмм в миллиметровом - дециметровом диапазонах длина волны радиоколебаний увеличивается по сравнению с оптическими волнами, соответственно, на 4-6 порядков. Естественно во столько же ухудшается и предельная разрешающая способность радиоголограмм по сравнению с оптическими. Это означает, что для получения видимых изображений объектов с линейным разрешением, равным длине волны, размеры апертуры должны быть равны расстоянию между объектом и радиоголограммой. В оптической голографии на всегда возникает необходимость s получении разрешающей способности, разной

Так возникает главная техническая проблема радиоголографии - получение радиоголограмм с апертурами, соизмеримыми с расстояниями до объектов голографирования. Эти расстояния, в зависимости от применения радиоголографии, могут быть от единиц метров до тысяч километров. Соответственно такими же должны быть апертуры радиоголограмм. Обеспечить такие размеры радиоголограмм с помощью плоских регистрирующих сред можно, если их размеры не превышают, по крайней мере, десятков метров. Такие радиоголограммы называют квазиоптическими. При больших размерах радиоголограмм возникает необходимость в их синтезировании. В зависимости от способа синтезирования радиоголограммы подразделяются на:

- синтезированные с помощью антенн с "линейными" апертурами;

- синтезированные с помощью антенн с "точечными" апертурами.

где D u - ширина линии излучения, С - скорость света.

применения радиоголографии нет необходимости в том, чтобы глубина сцены была равна длине когерентности генераторов. Определяющими оказываются другие факторы, вытекающие из технических требований, предъявляемых к радиоголографическим системам. К числу важнейших факторов относятся энергетический потенциал радиопередающих устройств, применяемых для облучения объектов голографирования, и чувствительность регистрирующих сред, используемых для формирования радиоголограмм.

Эти факторы определяют дальность радиоголографирования и объем сцены, пропорциональный кубу дальности радиоголографирования. Как и в радиолокации, в радиоголографии увеличение дальности связано с необходимостью резкого увеличения энергетического потенциала передающих устройств и улучшения чувствительности регистрирующих сред. Повышение энергетического потенциала, в свою очередь, связано с резким увеличением экономических затрат на производство радиоголографических систем. В связи с этим возникает вторая техническая проблема радиоголографии - обеспечение требуемой дальности радиоголографирования при минимальных энергетических затратах.

Квазиоптические радиоголограммы формируются на непрерывных или дискретных регистрирующих средах, расположенных на плоскости. В качестве непрерывных регистрирующих сред могут использоваться материалы, изменяющие свои оптические свойства в зависимости от интенсивности падающих на них радиоколебаний /3/. К таким средам относятся:

- металлические пленки с чувствительностью 5х10^-2 дж/см²;

- термопластические материалы с чувствительностью 10^-5 дж/см²;

- жидкие кристаллы с чувствительностью 5х10^-6 дж/см².

Пока же из-за отсутствия непрерывных регистрирующих сред с высокой чувствительностью для формирования радиоголограмм используются радиотехнические средства /4/. В частности, для этой цели применяются антенные решетки, элементы которых соединяются с высокочувствительными приемными устройствами, подключенными к индикаторному устройству, на котором визуализируются дискретные значения интерференционного рельефа /5/. Недостатком таких регистрирующих устройств является необходимость использования большого числа усилителей с одинаковыми характеристиками. Если объект голографирования не изменяет своего положения и состояния во времени, то интерференционный рельеф, фиксируемый на радиоголограмме, не изменяется во времени, и поэтому множество усилителей можно заменить одним усилителем, последовательно подключенным к антенным элементам /6/.

определяется размерами физической апертуры и для непрерывных регистрирующих сред вычисляется по формулам (1) и (2). Разрешающая способность радиоголограмм, сформированных с помощью антенных решеток, определяется как

где d _x -. линейные размеры элементов антенной решетки. Из сравнения формул (1) и (4) следует, что дискретизация радиоголограмм приводит к ухудшению их разрешающей способности. Она приводит также к появлению множественности восстановленных изображений, в результате чего сужается область наблюдения основного изображения и тем самым уменьшается объем сцены голографирования. Размеры этой области для радиоголограмм Френеля определяются неравенством

где r - расстояние между центрами соседних элементов антенны. Из анализа этого выражения следует, что при r >l /2 область наблюдения основного изображения, восстановленного по дискретным радио-голограммам, уменьшается по сравнению с областью наблюдения изображений, восстанавливаемых по непрерывным радиоголограммам. Размеры физической апертуры квазиоптических радиоголограмм ограничены техническими возможностями. Это обстоятельство ограничивает возможные области применения квазиоптических радиоголограмм. Такие радиоголограммы могут использоваться:

- в ближней радиолокации для получения видимых изображений объектов и их идентификации и распознавания по заранее сформированным эталонным голограммам;

- в радиоинтроскопии для визуализации объектов, расположенных в оптически непрозрачных диэлектрических средах;

- в радиоинтерферометрии для определения изменений форм поверхностей крупногабаритных объектов со сложной конфигурацией /7/.

Под синтезированием понимается формирование радиоголограмм на плоскости из совокупности значений интерференционного рельефа, зарегистрированных во времени. Один из возможных вариантов синтезирования таких радиоголограмм сводится к использованию линейных антенных решеток /8/. Синтезирование радиоголограмм в этом случае производится путей регистрации значений интерференционного рельефа на выходе каждого элемента антенной решетки в один и тот же промежуток времени и соответствующего расположения их на плоскости. Одна координата плоскости выбирается коллинеарной оси линейной решетки, а другая является осью времени.

1. Нормаль к фазовому фронту волны, рассеянной на объекте, в месте расположения приемной антенны изменяет свое направление в плоскости, перпендикулярной к продольной оси антенны. Такое условие имеет место, если:

- приемная антенна неподвижна, а объект вращается в плоскости, перпендикулярной к оси антенны;

- объект неподвижен, а приемная антенна перемещается в направлении, перпендикулярном к ее оси, в плоскости, касательной к

- приемная антенна неподвижна, а объект перемещается в картинной плоскости в направлении, перпендикулярном к оси антенны.

2. Нормаль к фазовому фронту волны зондирующего сигнала изменяет свое направление в плоскости, перпендикулярной к продольной оси приемной антенны. Это условие имеет место, если объект и приемная антенна неподвижны, а передающая антенна перемещается в плоскости, перпендикулярной к продольной оси приемной антенны.

3. Объект голографирования облучается линейно-частотно-модулированными зондирующими сигналами.

4. Объекты голографирования облучаются амплитудно-импульсными зондирующими сигналами с протяженностью импульсов в пространстве, меньшей протяженности объектов.

Следует отметить, что при выполнении первых трех условий формируются двухкоординатные радиоголограммы, т.е. радиоголограммы, на которых зафиксированы значения интегральных преобразований функций рассеяния объектов по двум координатам. При облучении объекта амплитудно-импульсными зондирующими сигналами малой длительности. формируются однокоординатные радиоголограммы. В таких радиоголограммах по пространственной координате регистрируется значение интегрального преобразования функции рассеяния объектов, а по временной координате - непосредственно значения этой функции. Для восстановления изображений по однокоординатным радиоголограммам необходимо применять специальные схемы, в которых по одной координате производится обратное интегральное преобразование, а по другой - непосредственно воспроизводится функция рассеяния объекта. Отметим также, что при перемещении объекта или антенны по синтезированной радиоголограмме восстанавливаются изображения объектов в картинной плоскости, а при использовании модулированных сигналов для формирования радиоголограмм - изображения восстанавливаются в плане.

Качество изображений, восстановленных по синтезированным радиоголограммам, определяется их разрешающей способностью. Разрешающая способность радиоголограммы вдоль пространственной координаты определяется размерами антенной “решетки и с учетом дискретности вычисляется по формуле (3). Разрешающая способность по

где v - значение тангенциальной составляющей скорости объекта; Т - интервал времени приема сигналов; b - расстояние между центром отрезка траектории движения объекта vТ и точкой на параметре ;

где W - угловая скорость вращения объекта; g - угол, под которым наблюдается центр объекта из центра антенной решетки;

где v_а - скорость движения антенны;

где D ¦ - ширина спектра зондирующих сигналов; С - скорость света.

- в бортовых радиолокационных станциях для получения видимых изображений поверхности земли непосредственно под летательным аппаратом;

- в наземных радиолокационных станциях для получения видимых изображений летательных аппаратов.

В качестве примера отметим, что в США была разработана самолетная радиолокационная станция, в которой производится формирование радиоголограмму с помощью линейной антенной решетки /9/. Решетка из 108 элементов и длиной в 1 метр располагается под фюзеляжем самолета. Ее ось направлена перпендикулярно направлению полета. Рабочая частота 16,8 Ггц. Поле зрения под самолетом составляет 90° , что соответствует полю эрозия бортовых ИК и аэрофотосистем. Разрешающая способность вдоль направления полета определяется длиной синтезированной апертуры, а в поперечном направлении - размерами антенной решетки. Такая система обеспечивает возможность получения видимых изображений поверхности земли с высот в несколько сот метров с разрешением вдоль линии пути 8 см, а в перпендикулярном направлении - 0,018 радиан. Однако этим не исчерпываются возможности этой станций. При использовании в ней двухчастотного режима работы формируются радиоголограммы, по который восстанавливается видимое изображение поверхности Земли с контурами равных дальностей, образованных интерференционными полосами. По этим контурам строятся профили земной поверхности, для целей картографирования.

Во многих технических применениях из-за жесткости требований к габаритам антенн оказывается невозможным использовать даже линейные антенные решетки. В этих случаях для получения видимых изображений используется метод синтезирования радиоголограмм по сигналам, принятым с помощью антенн с "точечной" апертурой /10/. Синтезирование в этом случае сводится к последовательной во времени фиксации значений комплексных амплитуд полей, рассеянных на объектах, и расположению их на плоскости в определенном порядке. Для получения изображения объекта в картинной плоскости необходимым условием формирования радиоголограмм является перемещение антенн и объекта в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При атом возможны различные сочетания взаимных перемещений передающей антенны, приемной антенны и объекта голографирования. Если объект неподвижен, то формирование радиоголограммы можно произвести в результате сканирования приемной и передающей антенн в пределах площади радиоголограммы. Если объект поступательно перемещается или вращается, то приемная или передающая антенны должны сканировать (совершать возвратно поступательное движение) в направлении, перпендикулярном вектору линейной скорости объекта. Разрешающая способность радиоголограмм в этом случае определяется длинами отрезков траекторий движения антенн или объекта, в пределах которых зафиксированы значения комплексных амплитуд поля.

Для получения изображения объекта в плане достаточно взаимного перемещения антенн или объекта в одной плоскости и облучения объекта ЛЧМ или АКМ зондирующими сигналами. Разрешающая способность таких радиоголограмм по одной координате определяется длиной отрезка траектории движения антенн или объекта, а по другой - шириной полосы излучения зондирующих сигналов. Длина отрезков траекторий, определяющих разрешающую способность, зависит от стабильности частот генераторов зондирующих сигналов. Стабильность частот современных генераторов такова, что с их помощью можно синтезировать радиоголограммы с разрешающий способностью, близкой к длине волны, на расстояниях в несколько сот километров. Такие характеристики синтезированных радиоголограмм позволяют их применять для решения многих задач. К числу таких задач, в частности, относятся следующие.

1. Картографирование поверхности земли и планет солнечной системы с летательных аппаратов по изображениям, восстановленным по синтезированным радиоголограммам. В США разработана радиолокационная станция с синтезированной апертурой, работаю пая на частоте 30 Ггц. Она обладает более высоким разрешением, чей типовые аппараты для аэрофотосъемки, поэтому снимки местности получаются более четкими. Съемку местности можно производить ночью, при наличии тумана, сквозь неплотные облака. Эту РЛС предполагается использовать при поиске месторождений нефти на Аляске и на севере Канады. Важной особенностью радиоголограмм, получаемых с помощью такой РЛС, является возможность распознавания отдельных фрагментов сцены по эталонным голограммам фрагментов.

2. Визуализация и последующее изучение структуры неоднородностей околоземной ионосферы /11/. С этой целью наземный приемный устройством производился прием радиосигналов навигационных ИСЗ на частотах 150 и 400 Мгц. Радиоколебания с различной частотой при прохождении через ионосферу имеют различную фазовую задержку. Сигналы на частоте 150 Мгц больше подвержены влиянию

3. Визуализация метеообразований на различных радиочастотах. В настоящее время для прогнозирования метеоусловий используются фотографии метеообразований, полученных с КСЗ. Использование для этих целей синтезированных радиоголограмм может существенно расширить возможности прогнозирования, так как при синтезировании радиоголограмм на различных частотах имеется возможность получать видимые изображения метеообразований с частицами различных размеров.

1. Р.Кольер, К.Бэркхарт, Л.Лин. Оптическая голография, изд. "Мир", М., 1975.

?.. Г.С.Сафронов, А.П.Сафронова. Введение в радиоголографию, изд. "Сов. радио", М., 1973.

5. Д.Бордогна, С.А.Кенеман, Д.Амадей. Обратимые среды для хранения голографической информации. Зарубежная радио электроника, № ii, 1973.

4. Э.Лейт. Квазиголографические методы в диапазоне СВЧ. ТИИЭР, т.59. № 9, 1971.

5. А.Айкенберг. Радиолокационная станция радиовидения цели. Зарубежная радиоэлектроника, № 4, 1970.

6. В.М.Гинзбург, В.М.Курбатов, В.Ш.вещанкин. Устройство для голографической регистрации быстропротекающих процессов на радиочастотах. Описание изобретения к авторскому свидетельству № 250311, Бюллетень №26, 1969.

7. Папи, В.Руссо, С.Соттини. Микроволновая голографическая интерферометрия. Зарубежная радиоэлектроника, № 12, 1972.

8. Р.Ларсен, Е.Иогансон, И.Зеленка. СВЧ-голография, ТИИЭР, № 12, 1969.

9. Р.Ларсен, И.Зеленка, Е.Иогансон. Радиолокационная голографическая система на СВЧ. Зарубежная радиоэлектроника, № 8, 1973.