Диссертация (Алгоритмы обработки сигналов в радиолокаторах предупреждения столкновений транспортных средств), страница 4

Для видеосистем качеств оптического изображения зависит от погодныхусловий, сезона, времени суток, степени загрязнения стекла машины-носителя иосвещенности наблюдаемой среды. Поэтому видеосистемы способны работатьтолько на небольшом расстоянии (в прямой видимости) и при светлом освещениис не большим загрязнением воздуха и стекла машина-носителя.Ранее в работах [6,12,25,40] было показано, что основным путем решенияпроблемы обеспечения безопасного движения транспортных средств в любых по-21годных условиях является применение на ТС радиолокационных систем обзораместности, которые формируют панорамное изображение дороги и различныхпрепятствий, расположенных как на дороге, так и около нее.1.2. Сравнение ослабления электромагнитных волн миллиметрового иинфракрасного диапазонов в гидрометеорах и пылиНесмотря на известные ограничения, в последнее время большое распространение в качестве автомобильных датчиков получили ИК камеры.

Поэтому дляобъективной оценки преимуществ и недостатков радарных и ИК датчиков представляется необходимым сравнить характеристики ослабления электромагнитныхволн (ЭМВ) миллиметрового (ММ) и ИК диапазонов в гидрометеорах и пылиприменительно к системам безопасности движения ТС.1.2.1 Оценка ослабления ЭМВ ММ диапазона в гидрометеорах и пылиАвтомобильные РПС по целому ряду причин работает в ММ диапазоне радиоволн. При этом международные стандарты для автомобильных радиолокаторов определяют два основных частотных диапазона: 24 ГГц и 77 – 79 ГГц [12].Известно также [15], что в ММ диапазоне ослабление электромагнитнойэнергии в атмосфере начинает заметно увеличиваться с ростом частоты зондирующего сигнала.

Это обстоятельство вызвано двумя явлениями: поглощением ирассеянием ЭМВ на капельных образованиях или гидрометеорах (главным образом в дожде, тумане; меньше влияют град, снег), а также на твердых частицах(пыль, дым и т. д.). Поглощение вызывается тепловыми потерями в частицах водыили пыли, а потери от рассеяния обусловлены перераспределением энергии в пространстве, при этом, с увеличением частоты рассеивающий эффект увеличивается.Ослабление ЭМВ ММ диапазона в пылиВыражение для коэффициента ослабления (затухания) ЭМВ ММ диапазонаможет быть записано в виде [13]:22k=где2,317.10-3.ε ′′[(ε ′ + 2) + ε ′′ ]2 2M, [дБ/KM].λ C(1.1)ε ′, ε ′′ - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической про-ницаемости частиц пыли, λ – длина волны в метрах, M – концентрация частицпыли в воздухе (г/м 3 ) , С = 2,3.10−3 , г.м-3 .КМ [4].

Значения дляε ′, ε ′′ взяты из[13],[14] и приведены в таблице 1.1.Таблица 1.1Частота24 ГГц39 ГГц77 ГГц79 ГГц′′′5.143.53.51.41.331.641.64Зависимость ослабления ЭМВ – Ad (дБ) в пыли от дальности S (м) можнопредставить следующим простым соотношением:Аd = k.S , [дБ](1.2)где k – коэффициент ослабления.На рисунке 1.1 представлены графики зависимости Ad (дБ) от S (м) для частот 24, 39, 77 и 79 ГГц, при различных значениях концентрации пыли М, котораясоответствует различным значениям оптической видимости.M = 3,7.10−1 , г.м-3M = 2,7.10−2 , г.м-3Рисунок 1.1 Зависимость величины ослабления ЭМВ в пыли от дальности23Концентрация пыли М = 3,7.10−1 , г.м-3 соответствует оптической видимостиоколо 10 м, согласно [14], то есть оптические сенсоры в таких условиях не работают.

При этом, анализ графики 1.6 показывает, что в случае высокой концентрации пыли затухание ЭМВ в ММ диапазоне длин составляет не более 1 дБ. Темсамым подтверждается тот факт, что работа АРЛС не зависит от наличия пыли,песка в зоне работы радара.Ослабление ЭМВ ММ диапазона в гидрометеорахРассмотрим влияние на распространение ЭМВ гидрометеоров, содержащихся в атмосфере на трассе, с учётом движения впереди идущего автомобиля.Известные результаты исследований показали, что наибольший вклад в ослабление ЭМВ ММ диапазона вносят осадки, в особенности дожди.Ослабление ЭМВ в дождеКак уже отмечалось выше, энергия ЭМВ одновременно поглощается и рассеивается дождевыми каплями.

При этом, ослабление нарастает при увеличенииразмеров дождевого очага на трассе распространения, а также при увеличенииплотности дождя (увеличение числа и размеров дождевых капель). В связи с тем,что для каждого конкретного случая вид распределения частиц по размерам может существенно отличаться, а подбор параметров представляет собой довольносложную задачу, наиболее распространённым методом нахождения ослабления вдожде является эмпирический метод, в котором считается, что коэффициентослабления зависит от интенсивности осадков R, следующим образом:αγ = kR , [ дБ/KM](1.3)где параметры k ,α зависят от частоты.Экспертные данные для значений k ,α приводятся в рекомендациях [15] длячастот от 1 до 400 ГГц.

На рисунке 1.2 представлены графики зависимости коэффициента ослабления γ для ЭМВ с горизонтальной поляризацией от интенсивности дождя, которая может варьироваться от 0,25 мм/ч (моросящий дождь) до 100мм/ч (сильнейший ливень), для частот 20, 25, 35, 40, 70 и 80 ГГц.24Рисунок 1.2.

Зависимость коэффициента ослабления ЭМВ от интенсивности дождяНа рисунке 1.3 представлены графики зависимости коэффициента ослабления Ad (дБ) для ЭМВ с горизонтальной поляризацией от дальности S (м) для частот 20, 25, 35, 40, 70 и 80 ГГц при двух значениях интенсивности дождя: 40 и 100мм/час.40 мм/час25100 мм/часРисунок 1.3. Зависимость коэффициента ослабления ЭМВ от дальностиАнализ графиков 1.3 показывает существенный рост (более, чем в 2 раза)ослабления ЭМВ с увеличением интенсивности дождя. Так, на дальности 300 мэто затухание при частоте 80 ГГц составит почти 10 дБ.

Тем не менее, на рабочихдальностях работы АРЛС 100 – 150 м это затухание не является столь критическим и составляет порядка 1 – 1,5 дБ.Ослабление ЭМВ в туманеТуман из водяных капель наблюдается главным образом при температурахвоздуха выше -20 °С, но может встречаться даже и при температурах ниже -40 °С.При температуре ниже -20 °С преобладает ледяной туман. Видимость в туманезависит от размеров частиц, образующих туман, и от его водности (количествасконденсированной воды в единице объёма.). Радиус капель колеблется от 1 до60 мкм. Большинство капель имеет радиус 5 - 15 мкм при положительной температуре воздуха и 2 - 5 мкм при отрицательной температуре.

Водность обычно непревышает 0,05 - 0,1 г/м3 , но в отдельных плотных туманах может достигать 1 1,5 г/м3 .Согласно [16], ослабление ЭМВ в тумане можно выразить следующим образом:26А = K l M ,[дБ]Kl =2+ε′0,819 . f, [дБ /KM ] , η =ε ′′ε ′′(1 + η )(1.4)(1.5)где: K l = 0,819 .

f , [дБ /KM ] – коэффициент ослабления, M – водность тумана г/м3 , fε ′′(1 + η )– частота (ГГц);ε ′, ε ′′ - это действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости воды.Ниже на рисунках 1.4 приведено ослабление ЭМВ А (дБ/км) для частот 24,39, 77 и 79 ГГц в зависимости от водности тумана M (г/м3) для различных температур.t = - 10° Ct = 20° CРисунок 1.427Результаты проведённых расчётов затухания ЭМВ ММ диапазона в зависимости от водности тумана и температуры окружающей среды показали, что влияние тумана в рассматриваемом ММ диапазоне на затухание ЭМВ даже при высокой водности тумана невелико (при температуре 0°С, водности 1.5 г/м3 на частоте79 ГГц, на расстоянии 200 м ослабление равно 1.04 дБ).1.2.2 Оценка ослабления ЭМВ ИК диапазона в гидрометеорахОсобенности современных тепловизоров работают в ИК диапазоне определяют их широкое применение для обеспечения безопасности движения ТС.

Одними из рассматриваемых главных особенностей при использовании современных тепловизоров являются оценка затухания ЭМВ ИК диапазона в гидрометеорах.Современные тепловизоры работают в ИК диапазоне на длинах волн 1 – 15мкм. Эти датчики могут обнаруживать объекты, имеющие температурные контрасты до десятых долей и даже сотых долей градусов, вне зависимости от временисуток, что позволило найти им широкое применение в охранных системах, натранспорте, в промышленности, медицине.

Однако, при этом тепловизоры обладают большим недостатком – в сложных погодных условиях (при наличии гидрометеоров или сильной запыленности атмосферы) дальность действия и контрастность формируемого изображения серьезно ухудшаются. Это происходит потому,что проходя в атмосфере, ЭМВ ИК диапазона ослабляются в результате рассеянияи поглощения. И если азот и кислород, содержащиеся в воздухе, не поглощаютИК излучения и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое невелико, тоH 2 O, CO2 , O3 и другие вещества, имеющиеся в атмосфере, селективно его погло-щают. Особенно сильно поглощают волны ИК диапазона пары воды (полосы поглощения H 2O расположены почти во всей ИК области спектра), а в средней ИКобласти - CO2 .

Наличие в атмосфере взвешенных частиц дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приводит к дополнительному ослаблению ИК излучения в результате рассеяния его на этих частицах.28В [9] приведено соотношение для расчета ослабления ИК излучения в дожде: [дБ/км](1.6)где: k, α - коэффициенты, зависящие от частоты, R – интенсивность дождя (мм/ч).На рисунке 1.5 приведен график зависимости затухания ЭМВ ИК диапазона отинтенсивности дождя.Рисунок 1.5. Зависимость затухания ЭМВ ИК диапазона от интенсивности дождяДанные экспериментальные результаты показывают существенный рост затухания ЭМВ ИК диапазона в дожде. При этом, сильный дождь R = 80 мм/часприводит к очень большому затуханию: более 20 дБ.Затухание ЭМВ ИК диапазона в снегеДля расчета затухания ЭМВ при наличии снегопада, воспользуемся выражением (1.7): [дБ/км](1.7)где: a и b – функции, зависящие от длины волны λ (нм) , значения для которыхприведены в таблице 1.2; S – интенсивность снегопада (мм/ч).Таблица 1.2аbМокрый снег0,0001023· λ (нм) + 3,78554660,72Сухой снег0,0000542· λ (нм) + 5,49587761,3829Зависимости затухания ЭМВ ИК диапазона от интенсивности снегопада длядлин волн 3, 5 и 12 мкм представлены на рисунке 1.6.а - мокрый снегб - сухой снегРисунок 1.6.

Затухание ЭМВ ИК диапазона от интенсивности снегопадаАнализ графиков 1.6 показывает существенный рост затухания ЭМВ ИКдиапазона при снегопаде. Так, при средней интенсивности снегопада (S = 2мм/час) величина этого затухания составляет более 10 дБ/км.Затухание ЭМВ ИК диапазона в туманеТуман является видимой совокупностью мельчайших капель воды, взвешенных в атмосфере на или вблизи поверхности Земли. Когда воздух почтинасыщен парами воды, это означает, что относительная влажность близка к 100%,30и что туман может образовываться в присутствии достаточного количества ядерконденсации, которые могут быть частицами пыли или дыма.