Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 14
Введение 14
1.1. Понятие сверхширокополосных сигналов 14
1.2. Короткоимпульсные радиолокаторы 16
1.3. Сверхширокополосные многочастотные радиолокаторы 20
1.4. Сверхширокополосные радиолокаторы с синтезированием апертуры 22
1.5. Распознавание цели
1.6. Радиофотонные методы в радиолокационных системах нового поколения
1.6.1. Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи 25
1.6.2. Оптоэлектронные генераторы с низким уровнем фазовых шумов 25
1.6.3. Радиофотонный приемник микроволнового диапазона 26
Выводы
ГЛАВА 2. Исследование формы отраженного сигнала при зондировании короткими радиоимпульсами 28
Введение 28
2.1. Локационные эксперименты с зондирующими радиоимпульсами длительностью 20 нс 29
2.1.1. Экспериментальная установка (радиоимпульс 20 нс) 29
2.1.2. Отражение от модельных объектов (уголковые отражатели) 30
2.1.3. Отражение от урбанистических объектов
2.1.3.1. Сканирование по азимуту стены здания с окнами 34
2.1.3.2. Отражение от реальных объектов 36
2.1.4. Результаты и выводы по разделу 2.1 39
2.2. Исследование формы сигнала, отраженного от цели, зондируемой радиоимпульсами
наносекундной длительности 39
2.2.1. Описание экспериментальной установки
2.2.2. Схема проведения экспериментов. Описание модельного объекта 42
2.2.3. Сканирование модельного объекта радиоимпульсами различной длительности 43
2.2.4. Теоретическая модель и объяснение экспериментальных результатов 45
2.2.5. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов 51
Результаты и выводы 54
ГЛАВА 3. Радиовидение цели при зондировании наносекундными радиоимпульсами 56
Введение 56
3.1. Описание экспериментальной установки 57
3.2. Методика обработки экспериментальных данных 61
3.3. Экспериментальные результаты, полученные при сканировании объектов кольцеобразной
3.3.1. Предварительный эксперимент. Определение оптимальной конфигурации экспериментальной схемы 62
3.3.2. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях значительно меньших длины волны ЭМ излучения 65
3.3.3. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях порядка длины волны ЭМ излучения 67
3.3.4. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях от трех до восьми длин волн ЭМ излучения 70
3.3.5. Зависимость информативности получаемых радиоизображений от направлений векторов поляризации передающей и приемной антенн 74
3.3.6. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях около десяти длин волн ЭМ излучения 77
3.4. Экспериментальные результаты, полученные при сканировании объектов крестообразной
формы 84
3.4.1. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях около пространственной длины зондирующих радиоимпульсов 85
3.4.2. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях примерно равных разрешающей способности зондирующего радиоимпульса 87
3.4.3. Сканирование МО с большим количеством отражателей радиоимпульсами различной длительности 3.5. Исследование особенностей работы наносекундного радиолокатора при наличии интенсивных отражений от подстилающей поверхности 92
3.6. Теоретическое моделирование с модельными объектами кольцеобразной и крестообразной формы, сопоставление с экспериментальными результатами 95
Результаты и выводы 98
ГЛАВА 4. Реализация режима радиовидения зондирующими монохроматическими квазинепрерывными сигналами, дискретно перестраиваемыми в сверхширокой полосе частот 99
Введение 99
4.1. Метод многочастотного зондирования 100
4.2. Описание экспериментальной установки 102
4.3. Описание экспериментальных результатов 104
Результаты и выводы 115
ГЛАВА 5. Режим радиовидения на сверхширокополосном радаре с зондирующими многочастотными сигналами 116
Введение 116
5.1. Описание экспериментального макета радара 116
5.2. Описание программного интерфейса 117
5.3. Обнаружение беспилотных летательных аппаратов 121
5.4. Сканирование сцены местности с разных ракурсов 125
5.5. Одновременное излучение частотных компонент 129
5.6. Использование зондирующих ансамблей ортогональных сигналов 130
5.7. Сверхразрешение в активном радиовидении 131
5.8. Измерение аппаратной функции антенны 132
Результаты и выводы 135
Заключение
Список сокращений 139
Литература 140
Благодарности 148
- Сверхширокополосные многочастотные радиолокаторы
- Отражение от модельных объектов (уголковые отражатели)
- Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях порядка длины волны ЭМ излучения
- Описание экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Зондирование объектов может быть пассивным и активным. В первом случае используются естественное отражение или собственное излучение. Системы, построенные на основе пассивного зондирования, как правило, функционируют в инфракрасном, террагерцовом или миллиметровом диапазонах длин волн и, прежде всего, должны обладать приемниками с высокой чувствительностью. В качестве примера можно привести работу [1], где изложены результаты разработки пассивной системы радиовидения трехмиллиметрового диапазона длин волн и представлены радиоизображения главного здания МГУ имени М.В. Ломоносова. Пассивные системы имеют высокую скрытность, вследствие отсутствия зондирующего сигнала, однако, в зависимости от метеоусловий могут быть малоэффективны. В свою очередь, активные системы в отличие от пассивных используют зондирующие сигналы и вследствие этого более устойчивы к различным погодным условиям. Использование в радарах зондирующих сигналов с широкой и сверхширокой полосой частот позволяет создавать новые высокоинформативные радиолокационные системы [2–6], функционирующие в режиме радиовидения цели [3, 6–8]. Такие системы часто называют активными системами радиовидения. В качестве сигналов со сверхширокой полосой частот могут выступать радио/видео импульсы наносекундной длительности [2–4, 9–11]. Зондирующий короткий радиоимпульс при отражении от цели распадается на последовательность импульсов, каждый из которых соответствует отдельным ее элементам [6, 12–13]. В результате, огибающая отраженного сигнала представляет собой набор импульсов различной амплитуды, где положение импульсов на временной шкале содержит информацию о геометрии цели, а значения амплитуд импульсов определяются величиной эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) отдельных ее элементов. При сканировании по углу появляется возможность восстановить форму цели.
Цель работы
Экспериментальное исследование двух направлений в сверхширокополосном
зондировании коротким радиоимпульсом и широкополосным радиосигналом с большой базой.
Были решены следующие задачи:
-
Для проведения измерений разработана лабораторная установка трехсантиметрового диапазона с зондирующими наносекундными радиоимпульсами.
-
Экспериментально исследована зависимость характера получаемого радиоизображения в координатах «угол–дальность» от длительности зондирующих импульсов при облучении модельных объектов простой геометрической формы.
-
Проведены эксперименты по сканированию протяженного модельного объекта, установленного под разными ракурсами, радиоимпульсами различной длительности; построена вычислительная модель на основе принципа Гюйгенса–Френеля, позволившая качественно объяснить экспериментальные результаты.
-
Проведены эксперименты с модельными объектами при различном количестве отражательных элементов и различном их взаимном геометрическом положении.
-
Разработан и создан автоматизированный экспериментальный макет сверхширокополосной системы с зондирующими многочастотными сигналами.
-
Проведены эксперименты по сканированию реальных сцен (подстилающей поверхности) и по обнаружению малоразмерных целей на фоне (отражений от подстилающей поверхности) урбанизированной местности.
Научная новизна
-
Исследованы особенности отражения радиоимпульсов наносекундной длительности от модельных объектов различной формы и различной конфигурации “отражательной структуры”. Экспериментально получены количественные характеристики, описывающие возможность получения радиоизображения цели и степень его информативности.
-
Впервые при помощи использования зондирующих многочастотных сверхширокополосных сигналов построены высокоинформативные радиоизображения сцен внутри зданий и в условиях плотно застроенной местности.
-
Экспериментально показана возможность обнаружения малоразмерных целей на фоне мешающих отражений от объектов урбанизированной среды при помощи зондирования сверхширокополосными многочастотными сигналами.
Практическая значимость работы
Показано, что радиолокационные системы с зондирующими многочастотными сигналами могут быть использованы в урбанизированной среде, например, для обеспечения безопасности движения, в территориально распределенных системах охраны, в том числе для обнаружения людей и беспилотных летательных аппаратов малых размеров. Также могут быть созданы компактные переносные системы рюкзачного типа для работы в горной и лесистой местности в условиях плохой видимости. В результате, сверхширокополосный радар в совокупности с высоким угловым разрешением (например, при реализации алгоритма сверхразрешения) может выполнять функцию системы активного радиовидения.
Методология и методы исследования
Исследование особенностей построения системы активного радиовидения осуществлялось на основе использования зондирующих сверхширокополосных сигналов двух типов: наносекундных радиоимпульсов и многочастотных сигналов. Эксперименты по зондированию наносекундными радиоимпульсами проводились с модельными объектами различной формы и конфигурации “отражательной структуры”. Зондирование многочастотными сигналами осуществлялось по реальным сценам (подстилающей поверхности) и по малоразмерным объектам и людям.
Экспериментальные исследования проводились с использованием в качестве устройств генерации и приема СВЧ излучения стандартного аналого-цифрового оборудования, что позволило сосредоточиться на особенностях работы экспериментального макета, не вдаваясь при этом в детали разработки отдельных его блоков.
Для проведения измерений был создан автоматизированный экспериментальный макет сверхширокополосной системы радиовидения.
Положения, выносимые на защиту
1. Существенными факторами получения радиоизображений в системе с зондирующими радиоимпульсами наносекундной длительности являются следующие:
a. Если расстояние d между отражательными элементами объекта (с линейным
размером L) составляет d < 0.1Л, а пространственная длина / зондирующего
радиоимпульса / < 2L, тогда на приемнике наносекундного радара будут
зарегистрированы отражения только от концов объекта, выступающих в данном
случае в роли рассеивателей, и картины радиовидения не получится.
b. Если расстояние d между отражательными элементами объекта составляет
0.1 Л < d < ЗЛ, тогда могут быть пространственно разрешены отражательные
элементы (или группы отражательных элементов) цели, для которых
пространственная длина / зондирующего радиоимпульса составляет
2Л
c. Если расстояние d между отражательными элементами объекта составляет
ЗЛ < d < 8Л, а пространственная длина / зондирующего радиоимпульса
/«2d < 2L, тогда имеется возможность получить информацию об
“отражательной структуре” цели, при этом степень дискретности изображения
зависит от длительности импульса. Более длинный зондирующий радиоимпульс
3d
отражательных элементов и пространственному размазыванию отклика.
d. Если расстояние d между отражательными элементами объекта составляет 8Л < d , а пространственная длина / зондирующего радиоимпульса / < 2d < 2L , тогда имеется возможность разрешить все элементы цели и получить полностью дискретное радиоизображение.
-
Зондирующие радиоимпульсы наносекундной длительности позволяют получать радиоизображение цели на первичном индикаторе в координатах «угол-дальность». Радиоизображение, при этом, формируется без дополнительной обработки из дальностных портретов, измеряемых при всех углах поворота антенной системы (в процессе сканирования).
-
Созданный экспериментальный макет сверхширокополосной многочастотной системы радиовидения позволяет строить радиоизображения сцен местности, практически (порядка 10 см по дальности и 10 градусов по угловому направлению) совпадающие с географической картой, обнаруживать малоразмерные объекты (с линейным размером до нескольких десятков сантиметров) на фоне урбанизированной среды.
Степень достоверности
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается используемыми методами исследования; теоретической моделью, построенной на основе принципа Гюйгенса -Френеля, позволившей качественно объяснить экспериментальные результаты; а также многочисленными экспериментами, в результате которых были получены радиоизображения сканируемых объектов, соответствующие их реальной геометрии.
Апробация результатов
Результаты диссертационной работы апробировались на следующих конференциях: XII Всероссийская школа-семинар “Физика и применение микроволн” (Звенигород, 2011), XIII Всероссийская школа-семинар “Волновые явления в неоднородных средах” (Звенигород, 2012), VI Всероссийская научно-техническая конференция “Радиолокация и радиосвязь” (Москва, 2012), VII Всероссийская научно-техническая конференция “Радиолокация и радиосвязь” (Москва, 2013), I Всероссийская Микроволновая конференция (Москва, 2013), V научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов “Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО” (Москва, 2014), XIII научно-техническая конференция “Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА” (Дубна, 2014), VIII Всероссийская научно-техническая конференция “Радиолокация и радиосвязь” (Москва, 2014), XXIX Всероссийский симпозиум “Радиолокационное исследование природных сред” (Санкт-Петербург, 2015), XV Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» (Красновидово, 2015), VI научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов “Актуальные вопросы
развития систем и средств ВКО” (Москва, 2015), IX Всероссийская научно-техническая конференция “Радиолокация и радиосвязь” (Москва, 2015).
Материалы диссертации опубликованы в 28 печатных работах, в том числе 11 статьях в журналах из списка ВАК, и 17 докладах в сборниках трудов конференций. Некоторые результаты работы представлены в отчетах двух НИР, выполненных при поддержке РФФИ №12–07–00779, №12–07–33103.
Личный вклад автора
Представленные результаты диссертационной работы получены автором лично или при его определяющем участии.
Структура и объем диссертации
Сверхширокополосные многочастотные радиолокаторы
Вопросам обнаружения, получения дальностных портретов и распознавания целей также посвящены работы [7, 78–82]. Задачи маскировки и демаскировки целей при зондировании радиолокационными сигналами рассматриваются в работах [82–84].
При построении систем радиовидения миллиметрового диапазона часто обращаются к алгоритму восстановления спектра исходного изображения из измеренного спектра испорченного изображения измеряемой антенной и аппаратной функцией антенны. В работах [85–88] предлагается также использовать в качестве опорной информацию о статистических характеристиках пространственного спектра объектов подобного класса с последующей фильтрацией ложных выбросов в высокочастотных областях спектра. При этом, процедура фильтрации в высокочастотной области подразумевает ликвидацию больших значений амплитуд, в свою очередь низкочастотная область спектра остается без изменения. Информация о контурах изображений находится в области низких пространственных частот. В представленной работе приведены смоделированное радиотепловое изображение, используемое опорное и результат восстановления. Также оценено качество восстановления изображений при различных мешающих факторах.
Увеличение ширины полосы частот зондирующих сигналов до нескольких гигагерц приводит к необходимости аналого-цифрового преобразования со скоростью 10–20 Гвыб/с. Электронные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), работающие с такими скоростями, являются очень сложными и дорогими устройствами. Разрядность таких АЦП невелика и составляет 6–8 эффективных бит, в редких случаях – 10 эффективных бит. В результате, использование таких АЦП в приемном канале сверхширокополосных радиолокационных систем приводит к невысокому динамическому диапазону их приемников. В последние годы интенсивно развивается новое направление исследований [89–90] под названием радиофотоника, микроволновая фотоника, нанофотоника и другие.
Радиофотоника изучает взаимодействие между оптическим сигналом и сверхвысокочастотным электрическим сигналом [89–90]. Можно выделить следующие наиболее перспективные направления технологии радиофотоники: построение быстродействующих аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности [91–93], построение оптоэлектронных генераторов с низким уровнем фазовых шумов [94–95], построение приемников микроволнового диапазона, устойчивых к воздействию электромагнитных импульсов большой мощности [96–98], создание фазированных антенных решеток (ФАР) [89] и другие. Так, например, в работах [99–101] описаны результаты разработки экспериментального макета радара, основные блоки которого созданы на базе радиофотонных элементов.
Рассмотрим принцип действия фотонных АЦП, построенных во временном [91–92] и частотном [91, 93] представлениях. Входной СВЧ сигнал подается на электрооптический модулятор, в котором выполняется его дискретизация по времени при помощи коротких импульсов с фемтосекундного лазера. Частота повторения лазерных импульсов определяет быстродействие АЦП и должна составлять десятки гигагерц. Квантование дискретного СВЧ сигнала по уровню осуществляется при помощи квантователя. Квантователь состоит из: модуля насыщающихся поглотителей, имеющих разный уровень насыщения, и матрицы фотодиодов, в которой каждому уровню насыщения поглотителя соответствует свой фотодиод. Это позволяет выполнять дискретизацию входного сигнала по уровню. Также имеется схема сброса для возвращения модуля насыщающихся поглотителей в первоначальное состояние и электронный компаратор, формирующий цифровой сигнал.
В свою очередь, принцип действия фотонного АЦП, построенного в частотном представлении, заключается в следующем. Фемтосекундный лазер генерирует последовательность импульсов с частотой повторения равной частоте требуемой оцифровки. Импульсы проходят через дисперсионное волокно и растягиваются по времени. Далее растянутые оптические импульсы подаются на интерферометр Маха–Цендера и модулируются СВЧ сигналом. Промодулированный оптический сигнал поступает на систему полосовых фильтров, где каждый фильтр вырезает сигнал определенной частоты. Узкополосный сигнал с каждого фильтра оцифровывается относительно медленным электронным АЦП (100–500 Мвыб/с) большой разрядности (12–14 бит).
Шумовой сигнал с выхода широкополосного усилителя СВЧ проходит через полосно-пропускающий фильтр, и формируется узкополосный шумовой сигнал. Часть этого сигнала ответвляется направленным ответвителем, которая модулирует оптический сигнал диода в электрооптическом модуляторе. Промодулированный сигнал проходит через волокно и детектируется фотодетектором. Далее этот сигнал поступает на вход усилителя СВЧ, образуя цепь положительной обратной связи. В свою очередь, с прямого канала направленного ответвителя снимается сгенерированный сигнал фиксированной частоты. Для возможности перестройки частоты генерации необходимо вместо фиксированного полосового фильтра установить перестраиваемый. Описанная схема позволяет создавать генераторы с низким уровнем фазовых шумов [94–95]. Так, например, фирма OEwaves производит электрооптические генераторы, которые при несущей частоте 10 ГГц и отстройке 1 кГц имеют уровень шумов -145 дБн/Гц, а при отстройке 10 кГц – вплоть до -163 дБн/Гц. Эта же фирма производит комплексы измерения шумов на базе электрооптических опорных генераторов с низким уровнем фазовых шумов.
Развитие средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ) приводит к необходимости создания защиты входных трактов радиолокационных систем от воздействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов большой мощности [102]. Одним из эффективных методов защиты является создание неэлектронного диэлектрического входного элемента приемника – цилиндрической диэлектрической резонансной антенны со встроенным в нее электрооптическим резонатором (оптическим резонансным диском) [96–98]. Электрооптический резонатор принимает сигнал от диэлектрической резонансной антенны и в результате взаимодействия в нелинейной среде модулирует оптический сигнал от лазерного диода (с оптического входа антенны), который поступает на фотоприемник, где выделяется принимаемый СВЧ сигнал.
Отражение от модельных объектов (уголковые отражатели)
В результате численного моделирования каждому углу места а соответствует временная зависимость Ua(t), далее над которой осуществляем процедуру квадратичного детектирования (по такому же алгоритму, как и в разделе 2.2.3.). Тогда теоретические результаты можно представить на графике в координатах: угол места - временная задержка. На рисунке 2.14 изображены экспериментальные (слева) и теоретические (справа) результаты, полученные при сканировании (азимут фиксирован) вертикального модельного объекта радиоимпульсами длительностью а) 1.5 нс, б) 3 нс, в) 6 нс и г) наклонного модельного объекта радиоимпульсами длительностью 1.5 нс.
Результаты сканирования объекта радиоимпульсами длительностью 1.5 нс представлены на графике на рисунке 2.14а (слева) в координатах: угол места - временная задержка при фиксированном азимуте -210, соответствующем направлению оси антенны на лоцируемый объект. Результаты сканирования объекта радиоимпульсами длительностью 3 нс представлены на графике на рисунке 2.14б (слева) при фиксированном азимуте -220, а также радиоимпульсами длительностью 6 нс на графике на рисунке 2.14в (слева) при фиксированном азимуте -240.
Рассмотрим графики на рисунке 2.14а, полученные при сканировании модельного объекта радиоимпульсами длительностью 1.5 нс. На экспериментальном графике (слева) при углах места от 40 до -190 четко видно, что преобладает отражение от верхнего конца лоцируемого объекта, а при углах от -200 до -250 преобладает отражение от нижнего конца. Отражение от верхнего конца объекта соответствует временной задержке примерно 21.8 нс, а от нижнего конца - 23 нс. Это означает, что разность расстояний от антенны до верхнего и нижнего конца объекта составляет 36 см, что в точности соответствует схеме эксперимента, изображенной на рисунке 2.9а (вверху). Разность расстояний по схеме составляла 36 см. В свою очередь, на теоретическом графике (справа) при углах места от 40 до -160 преобладает отражение от верхнего конца, а при углах от -180 до -270 преобладает отражение от нижнего конца лоцируемого объекта. Отражение от верхнего конца объекта соответствует временной задержке 22.5 нс, а от нижнего конца - 24 нс. 6822408
Графическое представление экспериментальных (слева) и теоретических (справа) результатов, полученных при сканировании вертикального модельного объекта радиоимпульсами длительностью: а) 1.5 нс, б) 3 нс, в) 6 нс и г) наклонного модельного объекта радиоимпульсами длительностью 1.5 нс. Тогда разность расстояний составляет 45 см. Таким образом, предложенная теоретическая модель на основе принципа Гюйгенса–Френеля позволяет качественно описать экспериментальные результаты.
Рассмотрим графики на рисунке 2.14б, полученные при сканировании модельного объекта радиоимпульсами длительностью 3 нс. На экспериментальном графике (слева) отражение от верхнего конца модельного объекта соответствует углам места от 40 до -190, а от нижнего – от -210 до -260. Отражение от верхнего конца объекта соответствует временной задержке примерно 21.8 нс, а от нижнего конца – 22.7 нс. Тогда разность расстояний составляет 27 см. В свою очередь, на теоретическом графике (справа) отражение от верхнего конца объекта соответствует углам места от 40 до -150, а от нижнего – от -170 до -270. Отражение от верхнего конца объекта соответствует временной задержке примерно 23.2 нс, а от нижнего конца – 24.8 нс. Тогда разность расстояний составляет 48 см. Как и следовало ожидать, при увеличении длительности зондирующего радиоимпульса точность определения дальности цели уменьшается.
Рассмотрим графики на рисунке 2.14в, полученные при сканировании модельного объекта радиоимпульсами длительностью 6 нс. На экспериментальном графике (слева) отражение от верхнего конца модельного объекта соответствует углам места от -20 до -140, а от нижнего – от -180 до -220. Отражение от верхнего конца объекта соответствует временной задержке примерно 21.7 нс, а от нижнего конца – 22.7 нс. Тогда разность расстояний составляет 30 см. В свою очередь, на теоретическом графике (справа) отражение от верхнего конца объекта соответствует углам места от 40 до -140, а от нижнего – от -170 до -270. Отражение от верхнего конца объекта соответствует временной задержке примерно 24.7 нс, а от нижнего конца – 26.3 нс. Тогда разность расстояний составляет 48 см. На экспериментальном графике отражения от верхнего и нижнего конца лоцируемого объекта практически слились, хотя на теоретическом графике все еще можно различить отражения от концов объекта.
Экспериментальные и теоретические результаты, полученные сканированием вертикального модельного объекта зондирующими радиоимпульсами различной длительности, показывают, что чем больше длительность излучаемых радиоимпульсов, тем менее различимы верхний и нижний конец лоцируемого объекта. Рассмотрим графики на рисунке 2.14г, полученные при сканировании модельного объекта, расположенного наклонно, согласно схеме на рисунке 2.9а (внизу), радиоимпульсами длительностью 1.5 нс. Экспериментальные результаты сканирования объекта представлены на графике на рисунке 2.14г (слева) при фиксированном азимуте -60. На экспериментальном графике отражение от верхнего конца модельного объекта соответствует углам места от -20 до -60, а от нижнего – от -100 до -340. В свою очередь, на теоретическом графике (справа) отражение от верхнего конца объекта соответствует углам места от -60 до -100, а от нижнего – от -140 до -350. Таким образом, экспериментальный и теоретический результаты согласуются друг с другом. Экспериментальные и теоретические результаты, полученные сканированием наклонного модельного объекта зондирующими радиоимпульсами длительностью 1.5 нс, показывают, что так же, как и в случае с вертикальным объектом, отражают только его концы. При изменении ракурса лоцируемого объекта соответствующим образом меняется отклик сигнала. Картина отраженного сигнала в координатах: угол места – временная задержка – позволяет определить ракурс расположения цели и расстояния до ее отдельных элементов.
Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях порядка длины волны ЭМ излучения
В параграфе описаны серии экспериментов по радиовидению объекта крестообразной формы с различной конфигурацией установленных отражательных элементов. Облучаемый объект выбирался такой формы, для того чтобы экспериментально смоделировать режим радиовидения реального самолета.
Для получения радиоизображения цели необходимо, чтобы ее размер был в несколько раз больше длительности зондирующих радиоимпульсов. Например, истребитель МИГ–31 имеет длину около 22 м и размах крыла около 13 м, а пассажирский самолет ТУ–154 имеет длину 48 м и размах крыла около 38 м. То есть, для того чтобы увидеть радиоизображение самолета МИГ– 31 на экране радара, необходимо чтобы длительность зондирующего радиоимпульса составляла порядка 10–20 нс, а для получения радиоизображения самолета ТУ–154 – порядка 50–100 нс. В лабораторных экспериментах использовался модельный объект с линейным размером 1.6 м, который сканировался радиоимпульсами длительностью от 1.5 нс до 6 нс.
Каркас лоцируемого объекта представлял собой две деревянные дощечки (шириной около 10 см каждая), закрепленные перпендикулярно друг другу, как показано на схеме на рисунке 3.14а. Поперечная дощечка (длина a = 160 см) крепилась перпендикулярно дощечке (длина 210 см), установленной продольно, на расстоянии 130 см от ее ближнего конца. Объект крестообразной формы устанавливался под углом около 30 к горизонту. Он крепился (на расстоянии a0 = 50 см от ближнего конца продольной дощечки) к вертикальной деревянной стойке высотой h1 = 150 см, дальний конец удерживался при помощи нити, закрепленной на потолке. Высота, на которой устанавливался дальний конец продольной дощечки, составляла h3 = 158 см. Поперечная дощечка располагалась на высоте h2 = 154 см. Расстояние по продольному направлению от плоскости раскрыва рупоров до места крепления облучаемого объекта к вертикальной стойке составляло d = 210 см. Такое положение модельного объекта позволило проводить сканирование только по азимуту (при фиксированном угле места). 3.4.1. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях около пространственной длины зондирующих радиоимпульсов
На каркас крестообразной формы крепилось пять отражательных элементов, как показано на схеме на рисунке 3.14а и на фотографиях модельного объекта на рисунке 3.14б. На левом, правом и дальнем краях каркаса крепилось по одному отражателю, также крепился один отражатель на месте крепления каркаса к стойке и еще один отражатель – в центре каркаса. Все отражатели крепились так, что их плоскости были перпендикулярны продольному направлению (также, как и в экспериментах, описанных в разделе 3.3). Отражательные элементы пронумерованы в соответствии со схемой на рисунке 3.14а.
Радиоизображения представлены на рисунках 3.14в и 3.14г на графиках в координатах: азимут – временная задержка – при длительности зондирующих радиоимпульсов 3 нс. На рисунке 3.14в показан график в градациях цвета, а на рисунке 3.14г – с пороговым значением 1 мВ2.
На полученных радиоизображениях четко видны отражения от каждого из пяти отражательных элементов. Отражение от первого отражателя соответствует задержке около 15 нс, от второго – около 20 нс и от третьего – около 25 нс. Все эти отражения соответствуют азимуту примерно -70. Отражения от четвертого отражателя (задержка 21 нс, азимут -220) и от пятого отражателя (задержка 21 нс, азимут 80) соответствуют задержке большей на 1 нс, чем задержка отражения от второго отражателя. Это объясняется тем, что реальное расстояние от АС до левого/правого края лоцируемого объекта больше, чем расстояние от АС до центра объекта.
На рисунках 3.15а и 3.15б приведены дальностные портреты при азимутах -70 и 90 соответственно, цифрами 1, 2, 3 и 5 отмечены отраженные импульсы от соответствующих отражательных элементов (под теми же номерами). На рисунке 3.15а видны импульсы, отраженные от первого, второго и третьего отражателей при осевом направлении антенн. При постепенном повороте антенной системы вправо пропадают импульсы, отраженные от первого, второго и третьего отражательных элементов, и появляется импульс (рисунок 15б), отраженный от бокового отражателя 5. Аналогичная ситуация наблюдается и при повороте антенной системы в направлении на левый край лоцируемого объекта. Ширина основного лепестка ДНА позволяет разрешать импульсы, отраженные от отражательных элементов (четвертого, второго и пятого), установленных в поперечном направлении. в)
Эксперимент с модельным объектом крестообразной формы (расстояния между отражателями – около пространственной длины зондирующих радиоимпульсов): а) схема эксперимента (1 – вид сверху, 2 – вид сбоку); б) фотография объекта; в, г) радиоизображения, полученные радиоимпульсами длительностью 3 нс (в градациях цвета и по заданному пороговому значению); д, е) дальностные портреты при азимуте (-70 и 90). 3.4.2. Сканирование МО с отражателями, расположенными друг от друга на расстояниях примерно равных разрешающей способности зондирующего радиоимпульса
В следующей серии экспериментов на облучаемый объект были установлены дополнительные отражательные элементы. Между каждой парой соседних отражательных элементов (рисунок 3.14а) крепилось (на равных расстояниях) по одному отражателю. В результате, на облучаемом объекте было установлено девять отражательных элементов, а расстояние между ними по продольному и по поперечному направлению составляло a1 = 40 см, как показано на схеме (d = 210 см, a= 160 см, a0 = 50 см, h1 = 150 см, h2 = 154 см, h3 = 158 см) на рисунке 3.15а. Фотография объекта крестообразной формы с отражателями представлена на рисунке 3.15б (вид сзади – со стороны АС). Остальные детали эксперимента приведены в таблице 8.
Радиоизображения представлены на рисунке 3.15 на графиках в координатах: азимут – временная задержка – при длительностях зондирующих радиоимпульсов в) 3 нс и г) 6 нс. На рисунках (слева) показаны графики в градациях цвета, а на рисунках (справа) – с пороговым значением в) 0.5 мВ2 и г) 0.3 мВ2.
На радиоизображении (рисунок 3.15в) четко видно, как появились отражения (задержка примерно 17.5 нс и 23 нс) от “новых” отражательных элементов – второго и четвертого (согласно нумерации по схеме на рисунке 3.15а), установленных на продольной дощечке. Дополнительные элементы, установленные на поперечной дощечке, приводят к тому, что недостаточно высокое угловое разрешение не позволяет различить отклики от каждого элемента в отдельности. В результате, отражения от отражательных элементов, установленных на поперечной дощечке, начинают смазываться на радиоизображении в одно пятно.
Увеличение длительности зондирующих радиоимпульсов до 6 нс приводит к тому, что на радиоизображении (рисунок 3.15г) не различимы в отдельности отражения от каждого отражательного элемента. Разрешающая способность зондирующего радиоимпульса длительностью 3 нс составляет около 45 см, а радиоимпульса длительностью 6 нс – около 90 см. Расстояние (по продольному направлению) между отражателями составляло 40 см. В результате, зондирующий радиоимпульс длительностью 3 нс (при выбранном пороговом значении 0.5 мВ2) позволил разрешить по времени отклики от первого, второго, третьего, четвертого и пятого отражателей.
Описание экспериментальной установки
Экспериментальные исследования проводились в помещениях (коридор, центральный холл) и во внутреннем дворе физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (ФФ МГУ). Полученные радиоизображения масштабированы (по логарифмическому закону в децибеллах) относительно абсолютного максимума интенсивности из всех дальностных портретов и наложены на соответствующие карты местности, положение АС на которых отмечено круглой меткой.
В работе представлены радиоизображения, полученные с использованием оконной функции Блэкмена-Харриса (4.5) и окна в виде гауссовского импульса (4.4). Приведены сравнения эффективности использования окна Гаусса различной ширины (менялось значение а ) и окна Блэкмена-Харриса.
На рисунке 4.2а представлен график сравнения частотных форм оконных функций (полоса частот 8-12 ГГц): прямоугольного окна, окон Гаусса различной ширины и окна Блэкмена-Харриса. Было подобрано такое значение а в (4.4), при котором в частотной области окно Гаусса наилучшим образом совпадает с окном Блэкмена-Харриса. Наилучшее совпадение происходит при значении а = 1.5 . На графике также представлены окна Гаусса при а = 0.15 и а = 15 .
Временные формы, полученные в результате выполнения обратного преобразования Фурье от перечисленных оконных функций изображены в логарифмическом масштабе на рисунке 4.2б. Преобразование Фурье от прямоугольного окна дает уровень первого бокового лепестка (относительно основного) -13.3 дБ. Первый боковой лепесток окна Блэкмена-Харриса имеет уровень -92 дБ, в то время как окно Гаусса при таком же временном разрешении имеет уровень первого бокового лепестка -65 дБ. Обратное преобразование Фурье от окна Гаусса с относительно равномерно распределенным спектром (а = 0.15) приводит к величине боковых лепестков близких по значению к тому, что дает прямоугольное окно.
Для обнаружения цели с малым значением ЭПР на фоне отражений от цели (или подстилающей поверхности) с много большим значением ЭПР необходимо обеспечить значительное подавление боковых лепестков во временной области. В случае недостаточного подавления боковых лепестков при использовании оконных функций необходимо увеличить ширину полосы зондирующего сигнала и уменьшить ширину полосы (разрешающую способность) выбираемого эквивалентного импульса. Например, уменьшить ширину гауссовского импульса в частотной области подбором значения а, при этом увеличить или сохранить ширину полосы перестройки зондирующего сигнала А/ .
На рисунке 4.3 представлены результаты сканирования помещения (коридора ФФ МГУ) с двух разных ракурсов. В качестве эквивалентного импульса использовалась оконная функция Блэкмена-Харриса. На рисунке 4.3б приведена подробная схема помещения, которая включает в себя: небольшую часть коридора; два дверных проема; две металлические двери лифтов в углублении (1, 2). За первым дверным проемом находятся: лестничная площадка и, соответственно, прилегающие к ней лестница (4) и оконный проем (3). Расстояние от АС до дальней стены, согласно схеме на рисунке 4.3б, составляет около 6.5 м. В зоне видимости второго дверного поема находятся: малая часть другого прилегающего коридора и деревянная дверь, расположенная в углублении (5). Расстояние от АС до соответствующей дальней стены, находящейся в зоне видимости данного дверного проема, согласно схеме на рисунке 4.3б, составляет около 8 м.
На рисунке 4.3а приведена фотография сцены, сканируемой с первого ракурса (в секторе углов от -80 до +60 с шагом 1), на которой также можно отметить наличие технологических элементов помещения, установленных в стене (блок пожарной сигнализации, пожарный кран, щит электропитания), и предметов интерьера. На рисунках 4.3 (б, в, г, д) представлены соответствующие радиоизображения, полученные в полосах частот: б) 8-12 ГГц, в) 9-11 ГГц, г) 9.5-10.5 ГГц, д) 9.75-10.25 ГГц.
На рисунке 4.3е приведена фотография сцены, сканируемой со второго ракурса (в секторе углов от -80 до +70 с шагом 1), а на рисунках 4.3 (ж, з, и, к) представлены соответствующие радиоизображения, полученные в полосах частот: ж) 8-12 ГГц, з) 9-11 ГГц, и) 9.5-10.5 ГГц, к) 9.75-10.25 ГГц.
Уровень отраженного сигнала на представляемых радиоизображениях масштабирован относительно максимального уровня из отраженных сигналов при всех углах сканирования. На рисунке 4.3л приведена шкала градаций уровней отраженных сигналов от 0 до -130 дБ.
Построенные радиоизображения достаточно точно соответствуют карте местности. Отчетливо видны отражения от стен коридора; положения дверных проемов; отражения от стен, находящихся в зоне видимости за дверными проемами. На радиоизображениях (рисунок 4.3 ж, з, и, к), полученных со второго ракурса сканирования видны отражения от дверей лифтов и соответствующие углубления в стене. На рисунках 4.3 (и, к) отчетливо видно, что сигнал, отраженный от двери лифта (2), преобладает в виде двух отражений, которые, как можно предположить, соответствуют краям дверей. Объясняется это тем, что в трехсантиметровом диапазоне длин волн металлическая поверхность двери лифта отражает ЭМ излучение зеркально, а рассеивают излучение только края (так же как и в экспериментах с модельными объектами, описанных в главах 2 и 3). Проявилась структура бетонной стены (имеется возможность определить ее толщину), видны (соответствующие темные пятна высокой интенсивности на радиоизображениях) положения технологических элементов помещения и предметов интерьера.
При уменьшении используемой ширины полосы до 500 МГц точность определения расстояния существенно снижается, что проявляется в виде соответствующих размытостей на радиоизображении (рисунок 4.3 д и к).
На рисунке 4.4 сравнивается эффективность подавления боковых лепестков при использовании оконных функций Гаусса различной ширины выбором значения а в выражении (4.4) и прямоугольного окна Дирихле (4.3) в полосе частот 8-12 ГГц. На рисунке 4.4а приведены графики в частотной области оконных функций Гаусса при а = 1.5 (ширина полосы - около 1.5 ГГц), а = 0.15 (ширина полосы - около 4 ГГц) и прямоугольного окна (ширина полосы - 4 ГГц), а на рисунке 4.4б - соответствующие временные формы после обратного преобразования Фурье. На рисунках 4.4 в, г, д представлены радиоизображения.
На радиоизображении на рисунке 4.4в, полученном без взвешивания (в прямоугольном окне) в ширине полосы 4 ГГц, видно, что интенсивные отражения от тех частей помещения, которые предположительно имеют наибольшую отражающую способность (нормальное отражение от стены, отражения от углов помещения), имеют значительную “засветку” в результате высокого уровня боковых лепестков. Данные боковые лепестки (по дальности) на радиоизображении имеют желтый цвет, что, согласно шкале градаций, соответствует значениям порядка -40…-45 дБ. Это соответствует временной форме прямоугольного окна на рисунке 4б, где при значениях временных задержек несколько наносекунд относительно положения основного лепестка уровень боковых лепестков составляет порядка -40 дБ.