Radar cross-section imaging in synthetic aperture radar with linear antenna array and adaptive receiver

Abstract

EN: Context. There are a large number of RCS estimation methods in synthetic-aperture radars (SAR), which differ by precision, RCS recovery time of an observation area and complexity of implementation. At the same time, the optimal method, which is a generalization of all existing ones and characterizes both spatial and temporal optimal signal processing, has not been synthesized. Also, usually problem statements do not take into account the stochastic structure of signals reflected from most underlying surfaces. As a result, further ways of improving resolution, optimal SAR structure and maximum achievable precision of estimation of RCS are not determined. Objective. The goal of the work is to solve the problem of synthesis of the optimal method of RCS surfaces restoration as a statistical characteristic of spatially-inhomogeneous random scattering coefficient in aerospace-based radio engineering systems with moving linear antenna arrays and adaptive spatio-temporal signal processing. Method. Applying the method of maximum likelihood estimation and taking into account a priori information about the statistical characteristics of the received spatio-temporal fields a super-resolution method of RCS estimation on spatial coordinates is derived. The generalized problem statement has shown the optimal method of surface observation that allows to overcome the contradiction between the size of the observation area and the accuracy of the parameter estimates. The obtained method allows to achieve highest resolution (as for SpotLight mode) of radar images for wide area of observation (as for Stripmap mode). It is shown that the general algorithm can be adapted to particular solutions with limited statements of the problem. In contrast to the well-known method of aperture synthesis the processing of the received field in the antenna array and receiver is adaptive and depends on the signal-to-noise ratio. Results. The optimal method of area scanning in onboard SAR with antenna arrays and the corresponding method of adaptive spatio-temporal signal processing can be used to describe the receiving path of cognitive on-board radar for remote sensing. Conclusions. The obtained optimal method can be considered as a modified method of aperture synthesis with a multi-beam spotlight mode with the possibility of adaptive radiation pattern formation and signal time processing. In contrast to the classical method performing matched-filtering of the received signal with the reference signal, the modified method additionally decorrelates signals reflected from the earth’s surface. As a result of this decorrelation the characteristic intervals of speckles (the size of the spotted pattern of the image) will be significantly smaller than with match-filtering. Therefore, their subsequent smoothing with the same efficiency can be performed by windows of smaller width. Such processing together with a multi-beam spotlight mode will significantly increase the resolution of the SAR with an expanded area of view. UK: Актуальність. Існує велика кількість методів оцінки ЕПР в бортових радах з синтезом апертури, які відрізняються точністю, часом відновлення ЕПР заданої області і складністю реалізації. У той же час оптимальний метод, який є узагальненням всіх існуючих і який характеризує як просторову, так і часову оптимальну обробку сигналів синтезований не був. Також при постановці більшості завдань не враховується стохастична структура сигналів, відбитих від більшості підстилаючих поверхонь. В результаті не визначені подальші шляхи покращення роздільної здатності, оптимальна структура радара з синтезуванням апертури антени і гранично досяжна точність оцінювання ЕПР. Мета. Метою роботи є рішення наскрізної задачі синтезу оптимального методу відновлення ЕПР поверхонь, як статистичної характеристики просторово-неоднорідних випадкових процесів, в радіотехнічних системах аерокосмічного базування з рухомими лінійними антенними решітками і адаптивною просторово-часовою обробкою сигналів. Метод. Використовуючи метод максимальної правдоподібності та враховуючи апріорну інформацію про статистичні характеристики прийнятих просторово-часових полів, отриманий метод надрозрізнення оцінки ЕПР за просторовими координатам. Узагальнена постановка задачі дозволила визначити оптимальний метод спостереження поверхні, що дозволяє подолати протиріччя між розміром зони спостереження і точністю оцінок параметрів. Отриманий метод дозволяє досягнути найкращого розрізнення (як в прожекторному режимі) радіолокаційних зображень для широкої області спостереження (такої, як в смуговому режимі). Показано, що загальний алгоритм можна адаптувати до часткових розв’язків з обмеженими постановками завдання. На відміну від відомого методу синтезу апертури обробка прийнятого поля в антенній решітці і приймачі є адаптивною і залежить від відношення сигнал/шум. Результати. Оптимальний метод сканування області спостереження на борту РСА з антенними решітками і відповідний метод адаптивної просторово-часової обробки сигналу можуть бути використані для опису роботи вхідного тракту приймачів когнітивного бортового радара дистанційного зондування. Висновки. Отриманий оптимальний метод можна розглядати як модифікований метод синтезування апертури з багатопроменевим прожекторним оглядом і можливістю адаптивного діаграмоутворення, і часовою обробкою сигналів. На відміну від класичного методу, який здійснює узгоджену фільтрацію прийнятого сигналу з опорним сигналом, в модифікованому методі додатково здійснюється декореляції сигналів, відбитих від земної поверхні. В результаті такої декореляції характерні інтервали спеклів (розміри плямистої структури зображення) будуть значно менше, ніж при узгодженій фільтрації. Тому їх подальше згладжування з тією ж ефективністю може бути виконано вікнами меншої ширини. Це в підсумку в результаті спільно з багатопроменевим прожекторним оглядом дозволить значно підвищити роздільну здатність РСА з розширеною областю спостереження.