Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Феноменологическая модель пространственно-протяженных объектов для моделирования радиоголографических систем ... 12
1.1. Фацетные модели объемных объектов сложной формы 14
1.2. Получение фацетных моделей с помощью пакета 3ds Max 15
1.3. Преобразование фацетной модели в феноменологическую модель точечных рассеивателей и ее программная реализация 16
1.4. Выводы по первой главе 21
ГЛАВА 2. Математические модели процессов регистрации и восстановления радиоголограмм сложных объектов 22
2.1. Математическое моделирование моностатических
радиоголограмм на основе сканирующих датчиков и антенных решеток 22
2.1.1. Моделирование процесса регистрации радиоголограмм 22
2.1.2. Алгоритмы восстановления радиоиозображений по моностатическим радиоголограммам 23
2.2. Математическое моделирование мультистатических радиоголограмм на основе разреженных антенных решеток 30
2.2.1. Особенности представления мультистатических радиоголограмм 30
2.2.2. Алгоритм восстановления радиоизображений по мультистатическим радиоголограммам 33
2.3. Математическое моделирование процесса инверсного синтезирования радиоголограммы движущегося объекта 34
2.3.1. Принципы инверсного синтезирования радиоголограммы движущегося объекта в комбинированной радиолокационно 3
Стр.
оптической системе наблюдения 35
2.3.2. Моделирование процесса радиолокационной и оптической регистрации движущегося объекта 37
2.3.3. Алгоритм восстановления радиоизображения движущегося объекта 2.4. Программный комплекс для моделирования процессов регистрации и восстановления радиоголограмм 44
2.5. Верификация феноменологической модели на примере кругового цилиндра 46
2.6. Выводы по второй главе 51
ГЛАВА 3. Примеры работы и моделирования радиоголографических систем различного назначения 52
3.1. Подповерхностный голографический радиолокатор «РАСКАН» 52
3.1.1. Программный комплекс и пользовательский интерфейс подповерхностных радиолокаторов серии «РАСКАН» 53
3.1.2. Влияние ширины полосы сигнала на качество радиоизображений 59
3.2. Сравнительное моделирование досмотровых систем на основе
моностатической и мультистатической радиоголографии 70
3.2.1. Геометрия антенных систем и методов сканирования 70
3.2.2. Результаты моделирования 73
3.3. Инверсное синтезирование апертуры в задаче досмотра людей 80
3.3.1. Получение многоракурсных радиоизображений человека 81
3.3.2. Исследование возможности использования радиоголограмм, полученных с использованием передатчиков и приемников, расположенных на разных антенных линейках 89
3.3.3. Восстановление радиоголограмм двигающихся по Стр.
произвольной траектории и изменяющих свою форму объектов 92
3.3.4. Влияние ошибок определения траектории на качество восстановленных радиоизображений 97
3.3.5. Влияние одежды на качество восстановленных
радиоизображений 99
3.4. Выводы по третьей главе 105
ГЛАВА 4. Cравнение результатов моделирования и экспериментальных данных 107
4.1. Газовый пистолет 107
4.2. Манекен 109
4.3. Штангенциркуль 111
4.4. Выводы по четвертой главе 114
Основные результаты диссертационной работы 115
Литература
- Преобразование фацетной модели в феноменологическую модель точечных рассеивателей и ее программная реализация
- Математическое моделирование мультистатических радиоголограмм на основе разреженных антенных решеток
- Получение многоракурсных радиоизображений человека
- Штангенциркуль
Введение к работе
Актуальность темы. Радиолокация представляет собой средство расширения возможностей человека определять наличие и положение объектов за счет использования явлений отражения радиоволн этими объектами. В последнее время все больший интерес вызывает радиолокация малой дальности, позволяющая определять форму и, в некоторых случаях, внутреннюю структуру зондируемых объектов, непрозрачных в видимом диапазоне длин волн.
Одним из существующих на сегодняшний день приложений радиолокации малой дальности является подповерхностная радиолокация как средство неразрушаю-щего контроля строительных конструкций с целью обнаружения скрытых предметов (проводов, арматуры, различных неоднородностей и инородных тел). Также радиолокационные методы широко используются в системах досмотра пассажиров, предназначенных для обнаружения запрещенных к проносу предметов.
Одним из возможных методов получения изображений объектов в непрозрачных в оптическом диапазоне средах является регистрация их радиоголограмм. В этом случае процесс получения радиоизображения обследуемого объекта заключается в регистрации интерференционной картины (радиоголограммы), формирующейся в результате взаимодействия опорной волны и волны, отраженной от объекта, и последующего восстановления радиоголограммы с помощью специальных алгоритмов.
Для проектирования и оценки эффективности современных радиолокаторов, для проверки разрабатываемых алгоритмов восстановления необходимы радиоголограммы различных объектов, полученные в различных условиях. Получение радиоголограмм экспериментальными методами связано с измерением полей рассеяния реальных объектов. Такие эксперименты достаточно трудоемки и дороги. Поэтому
весьма актуальной является задача моделирования процессов рассеяния электромагнитных волн объектами исследования.
Аналитическое решение задачи рассеяния существует только для ограниченного набора простых тел, таких как плоскость, цилиндр, сфера, клин, во всех остальных случаях используют численные методы.
Основная проблема использования существующих в настоящее время численных методов заключается в их алгоритмической и вычислительной сложности, при этом задача нахождения поля рассеяния каждого объекта исследования превращается в самостоятельную задачу. Из-за этого в работах, посвященных математическому моделированию в области радиолокации малой дальности, в качестве объекта исследования обычно выступает набор отдельных точечных рассеивателей. Однако реальные объемные объекты имеют сплошную поверхность, для которой должны применяться соответствующие аппроксимации. Таким образом, разработка эффективных методов математического моделирования процесса регистрации и восстановления радиоголограмм объектов сложной формы в радиолокации малой дальности является актуальной задачей.
Цель диссертационной работы — разработка и реализация на ЭВМ метода математического моделирования процесса регистрации радиоголограмм объектов сложной формы радиолокаторами малой дальности, разработка методов и алгоритмов восстановления радиоголограмм, исследование с использованием предложенной модели различных вариантов построения радиолокационных систем малой дальности, а также создание программного обеспечения (ПО) для подповерхностных радиолокаторов серии РАСКАН-5.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:
разработка и обоснование модели рассеяния электромагнитной волны на объектах сложной формы;
выбор способа описания поверхности обследуемых объектов;
разработка алгоритмов преобразования фацетной модели объекта в модель точечных рассеивателей;
разработка алгоритмов и создание ПО для моделирования процесса регистрации радиоголограмм объектов произвольной формы радиолокационными системами различной конфигурации;
разработка алгоритмов для восстановления радиоголограмм;
разработка протокола обмена данными с блоком управления радиолокатора
РАСКАН-5, определение необходимого функционала ПО и выбор среды разработ-
ки, адаптация разработанных алгоритмов восстановления радиоголограмм под данный радиолокатор.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
-
Методика моделирования электромагнитного поля, рассеянного объектами сложной формы, основанная на аппроксимации поверхности объекта плотным массивом точечных рассеивателей. Численные алгоритмы восстановления радиоизображений по данным радиоголографического зондирования.
-
Теоретическое обоснование возможности использования в радиолокаторах малой дальности разреженных антенных решеток, работающих по принципу Multiple Input — Multiple Output (MIMO), с уменьшенным количеством приемных и передающих элементов.
-
Теоретическое обоснование возможности использования комбинированной системы с инверсным синтезированием апертуры в радиолокационном канале и времяпролетной камерой в оптическом канале для досмотра свободно передвигающихся людей.
-
Программный комплекс для управления радиолокатором РАСКАН-5 и восстановления регистрируемых им радиоголограмм.
Практическая значимость диссертационной работы связана с ее прикладной ориентацией, а разработанная в ней методика математического моделирования электромагнитного поля позволяет оперативно моделировать процесс регистрации радиоголограмм объектов произвольной формы для различных вариантов построения радиолокационных систем малой дальности, т.е. для различных частот, расстояний до объекта, конфигураций антенных систем, шагов сканирования и прочее в целях выбора оптимальной конфигурации системы для решения конкретной задачи. Программный комплекс, реализующий разработанные алгоритмы восстановления радиоголограмм, позволяет обрабатывать экспериментальные данные в режиме реального времени, получая радиоизображения зондируемых объектов. Программный комплекс входит в комплект поставки подповерхностных радиолокаторов РАСКАН.
Результаты диссертационной работы использованы ФГУП «НПО «Техномаш» (Роскосмос) при выполнении опытно-конструкторской работы «Прогресс». На ос-3
новании выполненных совместных исследований получен патент на изобретение «Способ дефектоскопии теплозащитных и теплоизоляционных покрытий изделий» (патент № 2532414 Рос. Федерация; 10.11.2014).
Методы исследования. При решении задач, возникших в ходе выполнения диссертационной работы, использовались различные классы методов: теории распространения, дифракции и отражения радиоволн, обработки сигналов, численного анализа математических моделей электродинамики сплошных сред.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов гарантируется строгостью используемого математического аппарата и подтверждается сравнением результатов, полученных с использованием вычислительных экспериментов, с известными с аналитическими решениями и результатами экспериментов. Сформулированные в работе допущения обоснованы как путем их содержательного анализа, так и методами математического моделирования.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на Международном симпозиуме по обороне и безопасности (Балтимор, США, 2014), Международном симпозиуме по электронным методам формирования изображений (Сан-Франциско, США, 2015), X Всероссийской научно-технической конференции (Пенза–Заречный, 2014), Международной конференции по радиолокаторам (Сиань, Китай, 2013), XIV международной конференции по подповерхностной радиолокации (Шанхай, Китай, 2012), III Российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» УКИ’12 (Москва, 2012).
Диссертация является составной частью фундаментальных исследований, проводимых в рамках грантов РФФИ № 09-07-00061, № 09-07-13502, № 10-07-00490, № 11-07-00204, № 11-07-13117-офи-м-2011-РЖД, № 12-07-00557, № 12-07-12015-офи_м, № 12-07-91371-СТ_а, № 13-07-00470, проекта № 14.B37.21.1929 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» и НИР № 8.1211.2014/K, выполняемой в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности.
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 7 научных работах, в том числе в 6 статьях из Перечня ведущих рецензируемых на-4
учных журналов и изданий, 9 трудах Международных и Российских конференций и 4 патентах на изобретения.
Личный вклад соискателя. Все исследования, результаты которых изложены в диссертации, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных работ в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю; заимствованный материал обозначен в работе ссылками.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах, содержит 94 иллюстрации и 1 таблицу. Список литературы включает 69 наименований.
Преобразование фацетной модели в феноменологическую модель точечных рассеивателей и ее программная реализация
Если объект характеризуется его функцией отражения 2(гоы), где rOBJ = [x ,y ,z f — вектор координат локальной точки на обращенной к плоскости регистрации радиоголограммы поверхности обследуемого объекта, то комплексную амплитуду сигнала, зарегистрированного приемным элементом на частоте f в точке, задаваемой вектором rR = [xR,yR,z0] , при облучении объекта передающим элементом, расположенным в точке, задаваемой вектором rT = [xT,yT,z0] , можно представить в виде суперпозиции отражений от каждой точки объекта с учетом задержки электромагнитной волны при ее распространении от передающего элемента до этой точки и обратно до приемного элемента [64]: где E0 — комплексная амплитуда возбуждения передатчика; г — символ длины (модуля) вектора г; #(rT(R),rOBJ) = arctgf (xT(R) -x f + [yT(R) -y f /\ — угол между нормалью к плоскости регистрации и направлением из точки передатчика (Т) (приемника (R)) на локальную точку на поверхности объекта; к = 27г/\/є/с — волновое число; є — относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится объект; с — скорость света; g(f,@) — диаграмма направленности (ДН) передающей (приемной) антенны в направлении на локальную точку поверхности объекта, имеющая, например, для элемента в форме открытого конца круглого волновода (такая антенна использовалась в экспериментах) следующий вид [5]: где а — радиус волновода, Jx ( ) — функция Бесселя первого рода. Для расчетов отраженного объектом поля по формуле (1.1) необходимо знать функцию отражения объекта. В настоящем исследовании предлагается описывать голографируемый объект плотной совокупностью точечных всена-правленных рассеивателей, каждый из которых имеет собственную эффективную площадь рассеяния, т.е. использовать аналог описанной во введении модели «блестящих» точек, но считать при этом «блестящими» все точки поверхности, а не только точки изломов. При этом используется модель однократного рассеяния, не учитывающая переотражения между точечными элементами и их взаимное влияние.
Важной самостоятельной задачей при моделировании рассеяния электромагнитных волн является выбор способа описания поверхности объекта. Основным требованием к способу описания является удобство задания поверхности при компьютерном моделировании. В результате моделирования поверхности объекта для дальнейших расчетов должны быть доступны координаты каждой точки поверхности и вектор нормали к ней.
Наиболее распространенным способом описания формы объекта является аппроксимация поверхности реального тела совокупностью связанных между собой плоских треугольников или четырехугольников, называемых фацетами, при этом размер фацета определяется кривизной поверхности объекта (Рис. 1.2).
Фацетные представления поверхностей разной 1.2. Получение фацетных моделей с помощью пакета 3ds Max
Для задания формы объекта в настоящем исследовании использовался пакет Autodesk 3ds Max [14] — система для создания и редактирования трехмерной графики и анимации, располагающая обширными средствами для создания разнообразных по форме и сложности трехмерных компьютерных моделей, с использованием разнообразных техник, включающих следующие: - полигональное моделирование, в которое входят Editable mesh (редактируемая поверхность) и Editable poly (редактируемый полигон) — это самый распространенный метод моделирования, используется для создания как сложных, так и низкополигональных моделей; - моделирование на основе неоднородных рациональных B-сплайнов; - моделирование на основе так называемых «сеток кусков» или поверхностей Безье (Editable patch) — подходит для моделирования тел вращения; - моделирование с использованием встроенных библиотек стандартных параметрических объектов (примитивов) и модификаторов.
Моделирование на основе стандартных объектов (Рис. 1.3), как правило, является основным методом моделирования и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов. Формат файлов, используемый программой 3ds Max, является закрытым и недоступным для сторонних разработчиков, поэтому получение фацетных моделей объектов, созданных в 3ds Max, осуществлялось с помощью экспорта в формат STL (от STereoLitorgaphy) — открытый формат, широко используемый для хранения трехмерных моделей объектов для использования в технологиях быстрого прототипирования, обычно, методом стереолитографии. В STL-файле информация об объекте хранится как список треугольных граней, которые описывают его поверхность, и их нормалей. В настоящее время STL поддерживается во многих системах автоматизированного проектирования и используется не столько для целей быстрого прототипирования, сколько в качестве нейтрального формата обмена геометрическими данными. При экспорте созданной в программе 3ds Max модели объекта в STL-формат происходит автоматическое ее преобразование из внутреннего формата программы в фацетное представление.
Математическое моделирование мультистатических радиоголограмм на основе разреженных антенных решеток
В блоке восстановления по данным времяпролетной камеры формируются узловые точки, принадлежащие поверхности объекта, и вычисляются значения радиоизображения для каждой точки. В данной реализации программного комплекса при восстановлении поверхности объекта дополнительно используются фацетные представления объекта. В реальной системе вместо этого будет использоваться отслеживание узловых точек по кадрам оптического канала вре-мяпролетной камеры. Это обстоятельство отражено на Рис. 2.7 пунктирной линией.
Выполним верификацию разработанной феноменологической модели точечных рассеивателей путем сравнения полученных результатов с аналитическим решением. Одновременно определим шаг, с которым должны располагаться рассеиватели для корректного описания поверхности объекта. В качестве объекта обследования выберем бесконечный проводящий цилиндр, расположенный на расстоянии 1 м от плоскости регистрации радиоголограммы (Рис. 2.8).
Поверхность цилиндра аппроксимировалась точечными рассеивателями, расположенными с угловым шагом 5, 2 и 1 градус (Рис. 2.10), что при данном диаметре цилиндра соответствует линейному шагу (вдоль образующей цилиндра) 26.2, 10.5 и 5.2 мм.
В силу бесконечности цилиндра радиоголограммы моделировались не на плоскости, а только вдоль оси OX на отрезке длиной 2 м с шагом 5 мм. Использовались частоты от 10 до 16 ГГц с шагом 0,1 ГГц. Нормированные синфазные компоненты радиоголограмм при различных вариантах аппроксимации поверхности цилиндра приведены на Рис. 2.10а–в в левой части. Для сравнения на Рис. 2.10г приведена радиоголограмма, полученная с помощью аналитического решения [1]:
Анализируя результаты моделирования, можно заметить, что радиоголограмма, полученная при аппроксимации поверхности цилиндра с угловым ша 49 гом 1, весьма точно соответствует аналитическому решению. При увеличении шага до 2 начинают проявляться отличия радиоголограмм, дальнейшее увеличение шага до 5 приводит к радикальному изменению формы радиоголограммы, полученной с помощью модели.
Но в задачах, для решения которых используется радиоголография, основной интерес представляют не радиоголограммы, а результаты их восстановления. Поэтому в правой части Рис. 2.10 приведены результаты восстановления радиоголограмм, построенные в координатах XOZ . Восстановление проводилось для диапазона расстояний (в направлении оси z) от 0,3 до 1,3 м.
Видно, что при угловом шаге между рассеивателями 5 восстановленное радиоизображение (Рис. 2.10а) состоит из изображений отдельных рассеивате-лей, которые в совокупности формируют верхнюю половину образующей цилиндра, имеющую на изображение приблизительно постоянную яркость. Это не соответствует действительности, так как очевидно, что уровень отраженного сигнала при угле ср = 0 должен значительно превышать уровень при значениях (р, приближающихся к ±90.
При шаге 2 изображения отдельных рассеивателей сливаются (Рис. 2.10б), при этом наибольшей яркостью обладают фрагменты образующей при значениях = ±90, а наименьшей — при = ±45, что тоже не является правильным. Только при шаге 1 (и меньше) восстановленное радиоизображение (Рис. 2.10в) соответствует как здравому смыслу, так и аналитическому решению (Рис. 2.10г).
Если сопоставить шаг точечных рассеивателей с используемой длиной волны, то получается, что для получения корректных результатов моделирования описывающие поверхность объекта точечные рассеиватели должны располагаться с шагом, не превышающим четверти длины волны зондирующего сигнала.
Во второй главе разработаны математические модели и программный комплекс для синтезирования радиоголограмм произвольных объектов в интересах проектирования голографических подповерхностных радиолокаторов и радиолокаторов для поиска запрещенных к проносу предметов, скрытых под одеждой человека. Программный комплекс позволяет оперативно задавать рабочие частоты, законы переключения частот, расстояния до объектов и различные конфигурации антенных систем.
Также разработаны алгоритмы восстановления радиоголограмм. Для восстановления моностатических радиоголограмм, зарегистрированных на эквидистантной сетке, используются «быстрые» алгоритмы на основе преобразования Фурье, мультистатические радиоголограммы восстанавливаются с использованием метода обратных проекций. Глава 3. Примеры работы и моделирования радиоголографических систем различного назначения
Все эксперименты в настоящем исследовании выполнены с помощью подповерхностного голографического радиолокатора РАСКАН-5, структурная схема которого приведена на Рис. 3.1 [59].
Передатчик состоит из синтезатора частот, подключенного к генератору, управляемому напряжением (ГУН). Опорную частоту для синтезатора обеспечивает 20 МГц-овый кварцевый осциллятор.
Выходной сигнал ГУН подается на антенну, а также используется в приемнике в качестве опорного сигнала, подаваемого на смеситель. Принимаемый сигнал смешивается с опорным (в результате чего формируются две квадратуры), проходит через ФНЧ и подается на усилители с регулируемым смещением, необходимые для сдвига уровня принимаемого сигнала в середину рабочего диапазона АЦП для каждой используемой частоты и независимо от диагностируемых сред (для этого используется процедура калибровки, которая будет описана ниже).
Микроконтроллерный блок управления (Рис. 3.2) используется для управления периферийными устройствами (синтезатор, АЦП, ЦАП, кнопка «Начало строки», курсовое колесо) по шине SPI. Нажатие на кнопку отмечает начало каждой новой линии при сканировании, а с помощью курсового колеса измеря ется пройденный антенной путь вдоль линии сканирования.
Получение многоракурсных радиоизображений человека
В настоящее время интенсивно развиваются активные микроволновые системы досмотра, предназначенные для поиска скрытых под одеждой запрещенных к проносу предметов. Такие системы по принципу формирования синтезированной апертуры можно условно разделить на две группы: системы с механическим сканированием и системы с электронной коммутацией неподвижных распределенных элементов.
В качестве представителей досмотровых систем этих двух типов можно привести систему ProVision [50], принадлежащую компании L-3 Communications, в которой используется механическое сканирование вертикальной линейкой антенных элементов, и систему Eqo [43] компании Smiths Detection, в которой используется электронная коммутация распределенных в плоскости антенных элементов [40]. Недостатком перечисленных систем является их высокая стоимость (около 140 тысяч американских долларов на американском рынке на начало 2013 года, 7,5 миллионов рублей — актуальная цена на российском рынке на начало 2014 года), вызванная использованием большого количества антенных элементов.
Проблему сокращения числа элементов антенной системы (АС) можно решить путем применения метода мультистатической радиоголографии [33– 34], при котором используются разреженные АР, работающие по принципу MIMO. При этом возникает актуальная задача сопоставления качества радиоизображений в случае мультистатической АС по сравнению с системой, состоящей из плотно расположенных моностатических антенных элементов, которая решается в данном разделе путем математического моделирования.
Рассмотрим вертикальную линейную АС, сканирующую в горизонтальном направлении. В моностатическом случае (в дальнейшем будем называть его МОНО) она представляет собой линейку из эквидистантно плотно расположен 71 ных приемо-передающих элементов, в мультистатическом случае (в дальнейшем — МУЛЬТИ) АС состоит из разреженных передающей и приемной линеек.
При использовании принципа MIMO в радиоголографии число независимых отсчетов поля в одном положении сканирующей АС равно произведению числа передающих элементов NT на число приемных элементов NR. Это обусловлено тем, что каждый передающий элемент работает с каждым приемным элементом, в то время как при методе МОНО число отсчетов поля равно сумме равных между собой числа N передающих и приемных элементов АС, т.е. 2N. Если предположить равенство числа отсчетов поля в случае МОНО и МУЛЬТИ 2N« NTNR, то видно, что при методе МУЛЬТИ имеет место существенная экономия общего числа элементов АС, т.к. NT + NR 2N. При этом сохраняется общий линейный размер АС и площадь синтезирования радиоголограммы, а сама MIMO АС может быть существенно разреженной.
При моделировании метода МОНО рассматривалась вертикальная линейная решетка из NTR=\30 приемо-передатчиков, расположенных с шагом Рис. 3.26. Область сканирования при методе МОНО Ду = 1см. При обследовании объектов проводилось сканирование решеткой вдоль оси ОХ, шаг сканирования составлял Ах = 1 см, число положений решетки было равно Ж, =130. Эквивалентная область сканирования при методе МОНО показана на Рис. 3.26. 72 Метод МУЛЬТИ моделировался с использованием двух вариантов АС. В первом варианте АС состояла из вертикальной разреженной передающей АР с NT = 8 передатчиками и вертикальной разреженной приемной АР из NR = 16 приемников. Постоянный шаг элементов этих АР был выбран не кратным и равнялся АуТ = 14,3 см и AyR = 8,68 см соответственно. Расстояние между АР по оси ОХ составляло AxTR = 9 см. Количество передающих и приемных элементов MIMO АС было выбрано исходя из того условия, чтобы число независимых пространственных отсчетов поля при одном положении АС, равное произведению NTNR =128, практически не отличалось от числа независимых отсчетов поля при одном положении АС в описанной выше модели синтеза метода МОНО. При обследовании объектов проводилось сканирование АС (как единого целого) вдоль оси ОХ, шаг сканирования составлял Лх = 1 см, число положений АС было равно TV =130. Для удобства будем называть этот вариант
МУЛЬТИ-1. На Рис. 3.27а показана АС первого варианта в среднем положении при сканировании по горизонтали.
Второй вариант MIMO АС при том же числе передающих и приемных элементов отличался от первого варианта примерно в 5,8 раза более плотным расположением передающих элементов в эквидистантной передающей АР, шаг которой составил Дуг= 2,48 см (Рис. 3.27б). В дальнейшем будем называть этот вариант МУЛЬТИ-2. Таким образом, при синтезировании методом МОНО и методом МУЛЬТИ области сканирования были практически одинаковыми и имели размер примерно 130x130 см.
Штангенциркуль
По результатам сравнения результатов восстановления радиоголограмм можно сделать следующие выводы. В моделируемых условиях, когда полоса сигнала составляет 6 ГГц, а расстояние до объекта зондирования — порядка 1 м, ошибка в определении погрешности поверхности тела человека в 2 см (усредненное расстояние от поверхности тела до поверхности одежды) может приводить к тому, что скрытый посторонний объект, расположенный на теле человека, не будет виден, поскольку расположен слишком далеко от места, где предполагается получить заметный отклик отраженного сигнала.
Сказанное справедливо и для скрытых объектов, расположенных не на поверхности тела, а в верхней одежде, которая отстоит от тела более чем на 2 см (в рассматриваемых здесь условиях). Для выявления скрытых объектов, расположенных в одежде и двигающихся вместе с ней, необходимо регистрация траектории одежды.
В силу сказанного, при вычислении радиолокационных изображений необходимо производить расчеты для приповерхностного слоя регистрируемой поверхности, чтобы не пропустить посторонние предметы, где бы они не находились.
Может оказаться эффективным использовать модельные представления и движущегося человека и верхней одежды, и для каждой из этих поверхностей применять адаптированные методы расчета радиолокационных изображений. Эти расчеты должны охватывать приповерхностные слои тела человека и одежды для того, чтобы посторонний предмет, где бы он не располагался, проявлялся на получаемых радиоизображениях.
Другим подходом, который может быть использован для получения изображений скрытых предметов независимо от того, где они расположены, может быть уменьшение полосы зондирующего сигнала, что приведет к ухудшению разрешения по глубине. На Рис. 3.65 приведены радиоизображения, полученные при восстановлении радиоголограммы, зарегистрированной всего на одной частоте. При расчете изображений использовалась поверхность одежды. На приведенных изображениях наименьший контраст имеет посторонний объект на Рис. 3.65б, поскольку здесь коэффициент отражения от поверхности тела и объекта имеет одинаковое значение. Одновременно с этим, посторонний объект имеет контрастные контуры и может быть выделен и автоматически классифицирован на основе этой информации. Для того чтобы в этой ситуации вся поверхность объекта имела контраст по отношению к фону, необходимо обеспечить разрешение по дальности не хуже толщины скрытого объекта. Для по 105 сторонних объектов, коэффициент отражения которых отличается значительно от коэффициента отражения тела человека, формирование широкой полосы зондирующего сигнала является несущественным. Посторонние объекты на синтезированных радиолокационных изображениях имеют достаточный контраст.
Наблюдаемый эффект проявления постороннего объекта при уменьшении ширины полосы зондирующего сигнала, нечувствительный к погрешности определения дальности до поверхности тела человека, кажется перспективным для его использования в реальной системе. В таком случае необходимость использования широкополосного сигнала отпадает, а в качестве антенных элементов можно использовать полосковые антенные элементы, что существенно упрощает аппаратную СВЧ-часть радиолокационной системы.
В третьей главе выполнено моделирование радиоголографических систем различного назначения.
Применительно к подповерхностному голографическому радиолокатору РАСКАН-5 проведено сравнение одно-, двух- и многочастотного подходов к восстановлению радиоголограмм. Показано, что одночастотный метод дает хорошие результаты в лишь в случае обследования объектов с плоской или относительно плоской поверхностью, обращенной с антенной системе и параллельной ей, для обследования объектов более сложной формы необходимо использовать широкополосные сигналы.
Теоретически обоснована возможность использования в радиолокаторах малой дальности разреженных вертикальных антенных линеек, сканирующих в горизонтальном направлении, работающих по принципу MIMO, с уменьшенным на порядок количеством приемных и передающих элементов.
Обоснована возможность использования комбинированной системы с инверсным синтезированием апертуры в радиолокационном канале и времяпро-летной камерой в оптическом канале для досмотра свободно передвигающихся людей. Показано, что знание траектории поверхности тела человека позволяет восстанавливать радиоизображения объектов, двигающихся по произвольной траектории и изменяющих свою форму в процессе обследования.
Адекватность разработанной модели представления поверхности объектов плотным набором точечных рассеивателей была проверена путем сравнения с результатами экспериментов. Для этого радиоголограммы одних и тех же объектов были сначала получены путем моделирования, а потом экспериментально.
Первым объектом исследования был уже описанный ранее газовый пистолет (Рис. 1.4). Эксперимент проводился с помощью радиолокатора РАСКАН-5/15000, работающего в диапазоне частот от 13,8 до 14,6 ГГц. При регистрации экспериментальной радиоголограммы антенна радиолокатора перемещалась вручную по расположенному над объектом обследования листу оргстекла (Рис. 4.1).
И при моделировании, и в эксперименте условия регистрации радиоголограммы были следующими: расстояние от плоскости регистрации до объекта — 17 см, размер области регистрации — 4545 см, шаг сканирования — 0,5 см, частота сигнала — 13,8 ГГц.
Видно, что радиоголограмма, полученная путем моделирования, достаточно хорошо повторяет экспериментальную. Некоторые отличия вызваны тем, что эксперимент проводился не в безэховой камере, а в обычном помещении, и на экспериментальной радиоголограмме, кроме отражений от объекта обследования, также присутствуют отражения от посторонних предметов, в частности, от краев стенда, что также повлияло на восстановленное радиоизображение.