ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ  АНАЛИЗ  ВОЗМОЖНОСТЕЙ  РАДИОГОЛОГРАФИИ  В  ЗАДАЧАХ  СОВРЕМЕННОЙ  РАДИОЛОКАЦИИ

Фомичёв  Николай  Иванович

старший  преподаватель,  ФГБОУ  ВПО  Ярославский  государственный  университет  им.  П.Г  Демидова,  РФ,  г.  Ярославль

E -mail:  fomichev@uniyar.ac.ru

Артёмов  Константин  Серафимович

доцент,  канд.  физ.-мат.  наук,  ФГБОУ  ВПО  Ярославский  государственный  университет  им.  П.Г.  Демидова,  РФ,  г.  Ярославль

E -mail:  kartemov@uniyar.ac.ru

Артёмова  Татьяна  Константиновна

доцент,  канд.  физ.-мат.  наук,  ФГБОУ  ВПО  Ярославский  государственный  университет  им.  П.Г.  Демидова,  РФ,  г.  Ярославль

E -mail:  tatyanayaroslavskaya@yandex.ru

EXPERIMENTAL  STUDY  OF  MICROWAVE  IMAGING  FOR  MODERN  RADAR  PROBLEMS

Nikolay  Fomichev

lecturer,  Yaroslavl  state  university,  Russia,  Yaroslavl

Konstantin  Artemov

associate  professor,  Candidate  of  Physics  and  mathematics,  Yaroslavl  state  university,  Russia,  Yaroslavl

Tatiana  Artemova,

associate  professor,  Candidate  of  Physics  and  mathematics,  Yaroslavl  state  university,  Russia,  Yaroslavl

Аннотация

На  примере  результатов  экспериментальных  исследований  по  получению  изображений  различных  объектов  анализируются  возможности  применения  радиоголографии  к  задачам  радиолокации.  Рассмотрены  возможности  метода  по  получению  информации  о  цели,  в  том  числе  приводятся  экспериментальные  изображения  объектов,  находящихся  за  оптически  непрозрачными  препятствиями. 

Abstract

Experimental  study  of  microwave  imaging  capabilities  to  obtain  information  about  radar  targets  was  performed.  An  applicability  of  the  method  for  different  objects,  including  the  objects  hidden  behind  opaque  obstacles,  is  examined. 

Ключевые  слова :  радиоголография;  радиолокация;  анализ;  эксперимент;  возможности;  изображения;  препятствия.

Keywords :  microwave  imaging;  radar;  analysis;  experiment;  capabilities;  images;  obstacles.

Для  современной  радиолокации  особую  актуальность  приобретает  задача  радиовидения,  т.  е.  получения  визуальных  изображений  пространства  в  форме,  близкой  к  привычным  зрительным  образам.  Одним  из  методов,  позволяющих  это  обеспечить,  является  радиоголография  [6]  —  регистрация  рассеянного  радиосценой  электромагнитного  поля  при  помощи  когерентного  опорного  с  перестройкой  частоты  по  определённому  закону.

Традиционно  радиоголография  используется  для  получения  и  визуального  анализа  изображений.  Так  работают,  например,  американские  системы  персонального  досмотра  для  аэропортов  ([8]  и  аналогичные).  Однако  наглядность  представления  результата  —  не  единственное  достоинство  метода.  В  [5]  утверждается,  например,  что  использование  радиоголографии  в  радиолокационных  системах  (РЛС)  позволяет  существенно  упростить  аппаратуру  и  снизить  требования  к  внутренним  коммуникациям  РЛС  с  пространственно-распределёнными  антенными  элементами. 

Целью  работы  является  демонстрация  некоторых  возможностей  метода  радиоголографии  в  решении  задач  радиолокации  на  основе  проведённых  авторами  экспериментов.

Для  исследований  использовалась  система  голографического  радиовидения  (СГРВ)  ближнего  действия,  разработанная  на  кафедре  радиофизики  ЯрГУ  им.  П.Г.  Демидова  совместно  с  ЗАО  «Новые  технологии»  (г.  Москва).  Система  реализует  метод  многоракурсной  многочастотной  радиоголографии  в  диапазоне  от  35,2  до  36,0  ГГц,  перестраивая  во  времени  по  линейно-ступенчатому  закону  частоту  гармонического  сигнала  с  минимальным  шагом  ступени  4  МГц.  Антенная  система  позволяет  сканировать  диэлектрическими  стержневыми  антеннами  эквидистантные  точки  пространства  вдоль  Т-образно  скрещенных  направляющих  (излучающими  антеннами  —  вдоль  вертикальной,  приёмными  —  вдоль  горизонтальной),  формируя  область  регистрации  0,535  м  ×  0,619  м.  Передатчик  мощностью  10  мВт  обеспечивает  радиовидение  близрасположенных  объектов  (на  расстояниях  единиц  и  десятков  метров  в  зависимости  от  их  отражательной  способности,  местоположения  и  среды  между  СГРВ  и  объектом).  Приём  осуществляется  когерентно.

Часть  синтезированного  передатчиком  сигнала  излучается  в  сторону  объекта,  другая  часть  по  закрытому  тракту  поступает  в  опорный  канал  квадратурного  приёмника.  Рассеянное  сценой  (и  объектом)  поле  сканируется  приёмными  элементами  антенной  системы  и  поступает  на  объектный  вход  приёмника.  Оцифрованные  при  помощи  аналого-цифровых  преобразователей  вещественная  и  мнимая  части  комплексной  радиоголограммы  (результат  интерференции  опорного  и  объектного  сигналов)  записываются  и  обрабатываются  программным  обеспечением  ЭВМ.  Супергетеродинный  приём  позволил  рассматривать  каждую  точку  радиоголограммы  как  комплексное,  но  постоянное  для  неподвижного  объекта  число,  и  таким  образом,  проводить  накопление  информации  в  каждой  точке  голограммы,  определять  статистические  характеристики  сигнала  и  применять  методы  цифровой  обработки  к  этим  данным,  в  том  числе  проводить  усреднение,  позволяющее  улучшить  соотношение  сигнал/шум  на  выходе  системы.  В  результате  формируется  трёхмерная  матрица  радиоголограммы  –  набор  одночастотных  двумерных  массивов,  представляющих  собой  многоракурсные  голограммы.

По  этим  данным  метод  радиоголографии  позволяет  получать  различную  информацию.

Во-первых,  можно  представлять  информативными  сечениями  трёхмерные  изображения  радиолокационной  сцены,  например, 

·     сечениями  в  картинной  плоскости,  взятыми  на  различных  дальностях,  т.  е.  проводить  селекцию  по  дальности,  одновременно  визуально  контролируя  сцену;

·     двумя  ортогональными  сечениями  по  дальности  вдоль  фиксированного  направления  (для  выявления  интересующих  объектов  сразу  во  всём  объёме  поиска;  причём,  два  сечения  определяются  значительно  быстрее,  чем  полная  трёхмерная  картина). 

Возможность  оценить  ослабление  восстановленного  поля  относительно  мощности  передатчика,  т.  е.  проводить  сравнение  и  делать  заключения  о  наличии  или  отсутствии  объектов  в  данной  области  пространства  дают  алгоритмы  калибровки  системы.  Изображения  приводятся  в  градациях  серого  (белый  соответствует  максимуму)  или  в  радужном  представлении  (красный  соответствует  максимуму,  фиолетовый  —  минимуму).

Первую  возможность  демонстрируют  результаты  следующего  проведённого  нами  эксперимента.  Для  различных  значений  дальности  формировались  изображения  сцены,  приведённой  на  рис.  1.  Она  включала  наблюдаемый  на  расстоянии  2,3  м  от  СГРВ  объект  —  два  фольгированных  цилиндра  диаметрами  14  см  и  длиной  60  см,  соединённые  в  фигуру,  напоминающую  букву  «Г».

Рисунок  1.  Объект  и  наблюдаемая  сцена

Из  приведённых  на  рис.  2  изображений  видно,  что  метод  позволяет  однозначно  локализовать  объект  в  объёме  сцены,  оценить  его  форму  и  взаимное  расположение  составных  частей,  а  при  наличии  масштабной  сетки  –  и  размеры  частей. 

  2,1  м                                            2,2  м                                2,3  м                                        2,4  м                              2,5  м 

Рисунок  2.  Радиоголографические  изображения  наблюдаемой  сцены  на  различных  дальностях

Особый  практический  интерес  представляет  бесконтактное  радиовидение  объекта  за  оптически  непрозрачными  препятствиями.  Этому  были  посвящены  следующие  наши  эксперименты.

На  рис.  3  слева  приведена  фотография  наблюдаемой  сцены,  содержащей  размещённую  на  расстоянии  4  м  от  СГРВ  на  картонной  подставке  фольгированную  модель  тела  человека  в  натуральную  величину,  а  справа  —  сечение  радиоголографического  изображения  в  картинной  плоскости  для  дальности  4  м. 

Рисунок  3.  Модель  тела  человека  (слева)  и  её  радиоголографическое  изображение  (справа)

На  рис.  4  приведены  фотография  и  радиоголографическое  изображение  на  дальности  4  м  сцены,  в  которую  между  тем  же  объектом  и  СГРВ  на  расстоянии  2  м  от  станции  было  помещено  оптически  непрозрачное  препятствие  из  строительного  материала,  вносящего  затухание  сигнала  10  дБ  в  одну  сторону. 

Препятствия  вносят  искажения  в  структуру  объектного  сигнала,  но,  как  показывают  наши  эксперименты,  при  достаточном  энергетическом  потенциале  установки  метод  радиоголографии  за  счёт  фокусировки  изображения  позволяет  решить  задачу  формирования  изображения,  достаточного  для  распознавания  объекта  с  приемлемой  точностью.

Рисунок  4.  Модель  тела  человека  за  препятствием  (слева)  и  её  радиоголографическое  изображение  (справа)

Во-вторых,  даже  одной  точки  многочастотной  радиоголограммы  достаточно,  чтобы,  не  строя  двумерное  изображение,  оценить  дальности  объектов.  На  рис.  5  приведено  нормированное  дискретное  амплитудное  изображение  вдоль  оси  дальностей,  полученное  для  одной  точки  голограммы  из  предыдущего  эксперимента. 

Рисунок  5.  Зависимость  амплитуды  зарегистрированного  изображения  от  дальности  (дальностный  радиопрофиль  наблюдаемой  сцены)

На  нём  выделяются  два  пика,  соответствующие  препятствию  (и  дающие  оценку  его  местоположения  в  2,1  м)  и  модели  тела  человека  за  ним  (оценка  местоположения  4  м).  Таким  образом,  радиоголография  позволяет  проводить  селекцию  объектов  по  дальности  и  определять  их  координаты  даже,  если  они  находятся  за  оптически  непрозрачными  препятствиями.

В-третьих,  по  изменению  изображения  при  регистрации  серии  кадров,  а  также  по  изменению  во  времени  одного  и  того  же  пространственного  отсчёта  многочастотной  радиоголограммы  можно:  оценить  параметры  движения  объекта  и  указать,  какой  манёвр  он  совершает. 

На  рис.  6  приведены  радиоголографические  изображения  азимутально-дальностных  сечений  сцены  для  начального  и  конечного  положения  движения  перестраивающейся  группировки  объектов  из  двух  металлизированных  шаров,  полученные  на  200  частотах  в  64х64  точках  с  шагом  4  мм.  Больший  шар  (диаметром  0,17  м),  перемещался  горизонтально  в  картинной  плоскости  из  позиции  с  координатами  (-0,25  м;  -0,33  м;  1,4  м)  в  позицию  с  координатами  (0,05  м;  -0,33  м;  1,4  м);  меньший  шар  (диаметром  0,09  м),  оставался  неподвижным  в  позиции  с  координатами  (0,05  м;  -0,365  м;  2  м). 

Рисунок  6.  Азимутально-дальностные  изображения  начального  и  конечного  положения  двух  шаров  при  движении

По  рис.  6  можно  сделать  заключение,  что  наблюдаются  два  отдельных  объекта,  определить  их  начальные  и  конечные  координаты,  а  также  утверждать,  что  один  из  них  (меньший  размерами)  за  время  наблюдения  оставался  неподвижным,  а  другой  (больший)  перемещался  горизонтально,  и  величина  перемещения  составила  около  0,3  м  (и  соответственно  оценить  скорость  движения).

При  оценивании  координат  и  перемещений  по  изображению  точность  определяется  разрешающей  способностью  СГРВ  (подобные  наши  эксперименты  см.,  например,  в  [1]).  По  дальности  она  тем  лучше,  чем  больше  ширина  спектра  сигнала  (при  800  МГц  наша  установка  обеспечивает  19  см);  в  картинной  плоскости  —  тем  лучше,  чем  больше  синтезируемая  апертура  —  6,3  см×5,5  см  на  дальности  4  м  для  полной  апертуры  нашей  СГРВ.  Поэтому  радиоголографические  методы  будут  особенно  эффективны  при  использовании  широкой  полосы  частот  и  размещении  РЛС  на  подвижных  носителях.  Потенциально  разрешающая  способность  системы  при  высоких  соотношениях  сигнал-шум  может  достигать  значения  длины  волны  используемого  сигнала  [7]  или  даже  меньше  (при  дополнительной  обработке  радиоголограммы  эталонными  методами  [4]),  что  является  очень  привлекательным.

В-четвёртых,  метод  радиоголографии  позволяет  фиксировать  элементы  радиоизображения  в  комплексном  виде  (амплитуда  и  фаза),  что  открывает  дополнительные  возможность  за  счёт  использования  фазовой  структуры  изображений  объектов.  При  формировании  радиоголограммы  на  различных  поляризациях  можно  получить  ещё  больше  информации  о  цели.

В-пятых,  метод  позволяет  проводить  классификацию  объектов  эталонными  методами  без  построения  изображений,  по  амплитуде  [4]  голограммы,  её  фазе  или  комплексным  значениям  [2]. 

Таким  образом,  применение  методов  радиоголографии  позволяет  определить  множество  характеристик  наблюдаемых  объектов  и  тем  самым  [3]  повысить  информационные  возможности  радиолокационных  комплексов  и  улучшить  их  системные  показатели. 

Список  литературы:

1.Артёмова  Т.К.,  Артёмов  К.С.,  Кренёв  А.Н.,  Фомичёв  Н.И.,  Леонтьев  А.С.,  Кузнецов  Е.А.,  Шеметов  А.С.  Анализ  возможностей  системы  голографического  радиовидения  миллиметрового  диапазона  в  задачах  дистанционного  зондирования  //  Радиофизические  методы  в  дистанционном  зондировании  сред:  Доклады  IV  Всероссийской  конференции,  30  июня—3июля  2009  г,  Муром.  —  С.  141—146.

2.Артёмова  Т.К.,  Гвоздарёв  А.С.  Минимально-фазовый  метод  эталонной  оценки  размеров  объектов  в  задачах  радиоголографии  //  Известия  высших  учебных  заведений.  Радиоэлектроника.  —  2011.  —  T.  54,  —  №  4.  —  С.  22—30.

3.Верба  В.С.  Управление  информационными  возможностями  многофункциональных  бортовых  радиолокационных  комплексов  //  Радиотехника.  —  2007.  —  №  10.  —  С.  9—12. 

4.Матюхин  Н.И.  Синфазное  суммирование  пространственных  и  временных  гармоник  в  многочастотной  и  многопозиционной  пространственно-когерентной  (радиоголографической)  системе  для  получения  трехмерного  изображения  объекта  с  разрешением  порядка  длины  волны  //  Вісн.  Харк.  нац.  ун-ту.  Радіофізика  та  електроніка.  —  2011.  —  №  966.  —  С.  68—71.

5.Пат.  2498339  Российская  Федерация,  МПК6  G01S13/00.  Способ  активной  радиолокации  /  Гончаров  О.П.,  Понькин  В.А.;  заявитель  и  патентообладатель  Гончаров  О.П.  (RU).  —  №  2012107869/07;  заявл.  01.03.2012;  опубл.  10.11.2013.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.freepatent.ru/images/patents/495/2498339/patent-2498339.pdf  (дата  обращения  23.02.2015).

6.Сафронов  Г.С.,  Сафронова  А.П.  Введение  в  радиоголографию.  М.:  Сов.  радио,  1973.  —  287  с.

7.Bennett  C.,  Toomey  J.  Target  classification  with  multiple  frequency  illumination  //  IEEE  Transactions  on  Antennas  and  Propagation.  —  1981.  —  Vol.  29.  —  №  2.  —  Pp.  352—358.

8.Patent  US  5859609  A,  Int.  Cl6  G  01  S  13/89,  G  03  H  5/00.  Real-time  wideband  cylindrical  holographic  surveillance  system  /  Sheen  David  M.,  McMakin  Douglas  L.,  Hall  Thomas  E.,  Severtsen  Ronald  H.;  assignee:  Battelle  Memorial  Institute,  Richland,  Wash.  —  №  714026;  filed  11.09.1996;  date  of  patent  12.01.1999.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  www.google.ru/patents/US5859609  (дата  обращения  23.02.2015).