Квазиоптические электронные сканеры электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн

На правах рукописиПавлов Роман АлександровичКвазиоптические электронные сканеры электромагнитного излучениямиллиметрового диапазона длин волнСпециальность 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физикиАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20131Работавыполненавцентрегидрофизическихисследованийфизического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор А.П. СухоруковОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор физического факультета МГУимени М.В.

ЛомоносоваО.В. Снигиревдоктор физико-математических наук,профессор института радиотехники иэлектроники имени В.А. КотельниковаРАНА.В. КорженевскийВедущая организация:Институт общей физикиим. А.М. Прохорова РАНЗащита состоится 19 декабря 2013 года в 16 часов 30 минут на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.66 в Московском государственномуниверситете им М. В.

Ломоносова, физический факультет, аудитория СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В. Ломоносова.Автореферат разослан « 18 » ноября 2013 года.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н. Карташов2ВведениеДиссертационная работа посвящена проблеме обнаружения ивизуализации источников излучения миллиметрового диапазона при помощиквазиоптических электронных сканеров. Рассмотрены конструкцииэкспериментальных установок, методики измерения их основных параметрови методики построения радиоизображений в разработанных системах.Актуальность темы.В настоящее время квазиоптическиеэлектронные сканеры миллиметрового диапазона (системы радиовидения)находят широкое применение во многих областях науки и техники – дляобнаружения источников излучения, в диапазоне десятков и сотен ГГц, дляпроведения экологического радиомониторинга местности, для всепогоднойнавигации транспорта, а так же для поиска предметов, закрытых оптическимкамуфляжем.

Под квазиоптическими сканерами понимают программноаппаратные средства, позволяющее получать графическое фото или видеоизображение источников излучения, окружающих предметов или местностив соответствующем диапазоне. Из практических областей примененияквазиоптических сканеров можно выделить следующие: поиск и определениекоординат различных источников и передатчиков миллиметровогодиапазона, проведение экологического и радиомониторинга, навигация автои железнодорожного транспорта, воздушных и морских судов в условияхограниченной видимости, а так же поиск замаскированных предметов дляцелей обеспечения безопасности.По сравнению с существующими системами для решенияобозначенныхзадачквазиоптическиесканерыобладаютрядомотличительных свойств. Основным достоинством является визуализациявыходных данных – местоположение источника излучения непосредственноотображается на получаемом радиоизображении.

Результатом работыявляется растровое изображение сканируемого пространства с визуальноотличающимся местом расположения источника. В тоже времяквазиоптические сканеры имеют меньшее угловое и, следовательно,пространственное разрешение. Квазиоптическим сканерам миллиметровогодиапазона присуще низкое быстродействие, которое можно успешноустранить применением большого количества радиоприемных сенсоров вмногоканальных системах.Относительно низкое по сравнению с оптическими системамипространственное разрешение подчиняется дифракционному критерию3Релея, равное отношению длины волны к диаметру окуляра.

Однако,применение специальных методов математической обработки принимаемойсканером информации позволяет преодолеть существующий предел иувеличивать разрешение в несколько раз по сравнению с обычнымиприемными системами. С этой целью вводится и анализируется аппаратнаяфункция (АФ), описывающая распределение освещённости в создаваемомприбором изображении малого (точечного) источника излучения.Определение ее основных параметров позволяет при применениисоответствующей математической обработке улучшать пространственноеразрешение до 4-х и более раз.Применение квазиоптических электронных сканеров, в уже освоенныхобластях приборами других диапазонов, является очень актуальным, так какпозволяет получать дополнительную информацию, которой нет визображениях даваемых таковыми приборами, например в оптическом и ИКдиапазонах.Использование именно пассивного способа позволяет получатьизображения пространства, окружающей местности без облучения еесигналами подсвета, а значит скрытно.

Данный аспект является немаловажным при специальном применении подобных систем, посколькузатрудняет их обнаружение. Кроме того, факт обнаружения источниковизлучения, каких либо предметов, транспортных средств или групп людейбудет оставаться незаметным для них самих. Скрытность наблюденияувеличивается при переходе к миллиметровому диапазону длин волн, в томчисле из-за отсутствия портативных приборов контроля излучения.В настоящее время квазиоптические сканеры находятся на этапе своегоактивного развития.

Уже созданы и успешно применяются системы,принципиально способные получать радиоизображения. Сейчас основныеусилия разработчиков направлены на улучшения качества изображений,увеличения быстродействия и уменьшения габаритов систем в целом. Какизвестно, миллиметровое излучение имеет малое затухание в условияхумеренного дождя, тумана и снегопада, а так же практически одинаковораспространяется в любое время суток.

Это позволяет уже сегодня создаватьприборы для навигации различных транспортных средств в условияхограниченной видимости. Сейчас такие устройства обладают малымбыстродействием и довольно громоздки, однако, в ближайшем будущемпоявиться возможность создания систем с малыми габаритами и массой.4Цель работы.Целью работы является разработка и созданиеквазиоптического сканера миллиметрового диапазона, а так же методикинаиболее точного определения аппаратной функции для ее последующегоприменения в алгоритмах математической обработки получаемыхрадиоизображений.В работе поставлены и решаются задачи выбора оптимальнойконструкции антенной системы, определения необходимого количестварадиометрических сенсоров, способа сканирования радиотепловых сцен,частоты кадров, параметров радиометров, методов математическойобработки, компоновки и массогабаритных параметров готовых систем.Особое внимание уделено исследованию свойств аппаратной функции (АФ)системы в целом с помощью математических расчетов, численногомоделирования и практического измерения при помощи трехмернойпозиционирующей системы.Научная новизна.В процессе выполнения работы разработаны квазиоптические сканерыдля поиска источников новыми способами на основе визуализацииизлучения и получения радиоизображений местности в миллиметровомдиапазоне длин волн.

Для разработанных и созданных квазиоптическихсканеровпредложеныоригинальныеметодикипостроениярадиоизображений с точки зрения оптимального соотношения междувременемсканирования,пространственнымразрешениемичувствительностью.Разработана оригинальная методика наиболее точного определения АФрадиооптических систем квазиоптических сканеров на основе примененияаналитического подхода, численного моделирования и практическихизмерений распределения поля в пространстве. Для измерения реальныхпараметров АФ разработан и построен стенд точного трехмерногопозиционирования на базе конструктора LEGO Mindstorms NXT 2.0.Решена задача по обнаружению, локализации и точному определениюместа положения источника излучения миллиметрового диапазона припомощи квазиоптических электронных сканеров.

На получаемой двухмернойкартине распределения радиояркостных температур отображаются участки снеспецифическим излучением. Таким образом, методами радиометриистроятся радиояркостные изображения, на которых «визуально» показаныисточники. В работе построены радиотепловые изображения различныхисточников излучения миллиметрового диапазона.5Установлена слабая зависимость результатов работы систем дальнейпассивной радиометрии от погодных условий. Радиояркостные изображения,полученные в темное время суток, в умеренный дождь, снег и туман сменьшим на порядок контрастом, качественно не теряют в информативности.Практическая значимость данной работы заключается в том, что вней поставлены и решены актуальные востребованные практикой задачипостроения квазиоптических сканеров миллиметрового диапазона новогопоколения. Разработаны и реализованы квазиоптические электронныесканеры, для поиска источников излучения миллиметрового диапазона,проведения экологического мониторинга, а так же для получениярадиоизображения местности в не зависимости от времени суток и погодныхусловий.Получены радиоизображения реальных источников излучения,местности в условиях дождя и тумана, а также различных предметов подоптическим камуфляжем, в том числе одеждой человека, в условияхприближенных к реальным.Защищаемые положения.1.

Разработаны и созданы оригинальные конструкции квазиоптическихэлектронных сканеров, позволяющие обнаруживать источники излучения вмиллиметровом диапазоне длин волн с обзором в секторе 25 градусов.2. Построена квазиоптическая многоцелевая система для обнаруженияпассивных спрятанных предметов и удаленных объектов при любыхпогодных условиях с пространственным и угловым разрешением.3. Визуализация объектов основана на использовании 8 канальнойматрицы микроволновых сенсоров с применением механического растровогосканирования.4.

Измерение основных параметров аппаратной функции, играющейключевую роль в достижении сверхразрешения, проведено на созданномстенде трехмерного позиционирования тестовых источников с привлечениемрезультатов численного моделирования и натурного эксперимента.5. В серии экспериментов в диапазоне частот 100 ГГц полученымикроволновые изображения (1) источников излучения, (2) скрытых подоптическим камуфляжем предметов, а также (3) окружающей местности иудаленных объектов.