Диссертация (1102680), страница 20

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 20)

В случае использования прямоугольной оконной функцииДирихле f  f макс 1, fДирихле f    минS имп,0, 0  f  f мин(4.3)при конечном преобразовании Фурье уровень боковых лепестков, вследствие явления Гиббса,достигает значения -13.3 дБ. В проведенной работе преимущественно использовались оконныефункции в виде гауссовского импульса (различной ширины)Гаусс f   A  e   f  f 0  ,S имп2(4.4)и четырехчленное окно Блэкмена–Харриса    ~~~БХ ~S импf  0.35875  0.48829 cos 2f  0.14128 cos 4f  0.01168 cos 6f ,(4.5)~где f   f  f 0  f  0.5 – частота в безразмерных единицах, заданная в диапазоне 0;1 .Использование окна Блэкмена–Харриса позволяет подавить первые боковые лепестки (вовременной области) до уровня -92 дБ относительно основного лепестка. В свою очередь, оконнаяфункция в форме гауссовского импульса при такой же эффективной разрешающей способностидает подавление боковых лепестков до уровня -65 дБ.Описанный метод имеет ряд преимуществ перед наносекундной локацией.

Во-первых, нетребуется использование высокоскоростных радиочастотных переключателей и мощных102сверхширокополосных усилителей, позволяющих сохранять короткие фронты усиливаемыхимпульсов. Соответственно, отпадает необходимость в использовании чувствительныхвысокоскоростных детекторов. Во-вторых, из-за того, что зондирующим сигналом являютсянепрерывные сигналы (выполняют роль спектральных компонент) одинаковой мощности,синтезированный радиоимпульс имеет энергозапас сигналов на всех частотах, что приводит квысокому динамическому диапазону системы, построенной по данному принципу. В-третьих,построение радара на основе такого подхода при необходимости (в зависимости от назначения)позволяет реализовать ширину полосы зондирующего сигнала вплоть до нескольких десятковгигагерц.

В результате, например, сигнал с шириной полосы 20 ГГц позволит получитьразрешение по дальности менее 1 см.Целью проводимых исследований, описанных в главе 4, являлась экспериментальнаяреализациярежимарадиовиденияприпомощиизмерениякомплекснойчастотнойхарактеристики среды в сверхширокой полосе частот путем пошаговой перестройки почастоте и выполнения обратного преобразования Фурье.4.2. Описание экспериментальной установкиЭкспериментальная установка (схема представлена на рисунке 4.1) состоит из векторногоанализатора электрических цепей Rohde&Schwarz ZVA-24, персонального компьютера иантенной системы. Векторный анализатор цепей имеет передающий и приемный порты ипозволяет проводить измерения комплексного коэффициента передачи в диапазоне частот от 10МГц до 24 ГГц. Антенная система состоит из опорно-поворотного устройства, позволяющеговыполнять ручное сканирование по азимуту и углу места (более подробно было описано в главе3), и двух широкополосных измерительных рупорных антенн П6-23А (ширина ДНА в областичастоты 10 ГГц составляет около 8 градусов) – передающей и приемной.

Порты векторногоанализатора цепей подключены к антеннам АС. Персональный компьютер позволяет удаленночерез порт Ethernet управлять векторным анализатором цепей и сохранять текущие измерения вцифровом виде. Также на ПК выполняется обработка записанных данных по методике,описанной в разделе 4.1, которая позволяет получать радиоизображения сканируемых объектов.Сканирование АС во всех экспериментах проводилось только по азимуту прификсированном угле места. Полоса частот перестройки зондирующего сигнала составляла от 8до 12 ГГц, шаг по частоте (определяется из условия максимальной дальности работы радара) – 1МГц, ширина полосы измерения – 10 кГц, выходная мощность – 20 дБм.103Рисунок 4.1. Блок-схема экспериментальной установкиДля корректного выполнения обратного БПФ во временную область, измеренная (вдиапазоне частотf мин … f макс ) комплексная ЧХ радиоканала добавляется нулевымизначениями с шагом df в диапазоне частот от 0 до  f мин  df  .

Далее выполняется операция,соответствующая выражению (4.1), обратное БПФ и вычисляется модуль от комплексныхзначений (4.2). Шаг по времени dt после выполнения обратного преобразования Фурьеопределяется через временное окно T 1следующим образомdfdt T1,N df  N(4.6)где N  N 0... мин  N мин ... макс – количество значений, на которых выполняется обратное БПФ,N 0... мин f мин  df1dfN мин ...

макс –количествозначенийвдиапазонечастот0...  f мин  df  ,f макс  f мин 1 – количество значений в диапазоне частот f мин … f макс .dfУчет временного шага dt позволяет привязать значения вычисленных амплитуд креальной шкале времени.Нулевая дальность измеряется при непосредственном направлении передающей антенныв приемную. Каждому значению шага df сканирования по частоте соответствует определеннаянулевая дальность.

Значение нулевой дальности вычитается после привязки из реальнойвременной шкалы. Описанная процедура позволяет корректно осуществлять вычислениевременной формы (эквивалентной зондированию короткими импульсами) отраженного сигналаиз измеренной комплексной частотной характеристики радиоканала.1044.3. Описание экспериментальных результатовЭкспериментальные исследования проводились в помещениях (коридор, центральныйхолл) 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 иналожены на соответствующие карты местности, положение АС на которых отмечено круглойметкой.В работе представлены радиоизображения, полученные с использованием оконнойфункции Блэкмена–Харриса (4.5) и окна в виде гауссовского импульса (4.4).

Приведенысравнения эффективности использования окна Гаусса различной ширины (менялось значение ) и окна Блэкмена–Харриса.На рисунке 4.2а представлен график сравнения частотных форм оконных функций (полосачастот 8–12 ГГц): прямоугольного окна, окон Гаусса различной ширины и окна Блэкмена–Харриса. Было подобрано такое значение  в (4.4), при котором в частотной области окно Гауссанаилучшим образом совпадает с окном Блэкмена–Харриса. Наилучшее совпадение происходитпри значении   1.5 . На графике также представлены окна Гаусса при   0.15 и   15 .Временные формы, полученные в результате выполнения обратного преобразованияФурье от перечисленных оконных функций изображены в логарифмическом масштабе нарисунке 4.2б. Преобразование Фурье от прямоугольного окна дает уровень первого боковоголепестка (относительно основного) -13.3 дБ.

Первый боковой лепесток окна Блэкмена–Харрисаимеет уровень -92 дБ, в то время как окно Гаусса при таком же временном разрешении имеетуровень первого бокового лепестка -65 дБ. Обратное преобразование Фурье от окна Гаусса сотносительно равномерно распределенным спектром   0.15 приводит к величине боковыхлепестков близких по значению к тому, что дает прямоугольное окно.Для обнаружения цели с малым значением ЭПР на фоне отражений от цели (илиподстилающей поверхности) с много большим значением ЭПР необходимо обеспечитьзначительное подавление боковых лепестков во временной области. В случае недостаточногоподавления боковых лепестков при использовании оконных функций необходимо увеличитьширину полосы зондирующего сигнала и уменьшить ширину полосы (разрешающуюспособность)выбираемогоэквивалентногоимпульса.Например,уменьшитьширинугауссовского импульса в частотной области подбором значения  , при этом увеличить илисохранить ширину полосы перестройки зондирующего сигнала f .105а)б)Рисунок 4.2.

Графики оконных функций (окна Гаусса различной ширины, окно Блэкмена–Харриса, прямоугольноеокно): а) в частотной области; б) временные формы.На рисунке 4.3 представлены результаты сканирования помещения (коридора ФФ МГУ)с двух разных ракурсов. В качестве эквивалентного импульса использовалась оконная функцияБлэкмена-Харриса. На рисунке 4.3б приведена подробная схема помещения, которая включает всебя: небольшую часть коридора; два дверных проема; две металлические двери лифтов вуглублении (1, 2). За первым дверным проемом находятся: лестничная площадка и,соответственно, прилегающие к ней лестница (4) и оконный проем (3). Расстояние от АС додальней стены, согласно схеме на рисунке 4.3б, составляет около 6.5 м.

В зоне видимости второгодверного 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.106На рисунке 4.3а приведена фотография сцены, сканируемой с первого ракурса (в сектореуглов от -800 до +600 с шагом 10), на которой также можно отметить наличие технологическихэлементов помещения, установленных в стене (блок пожарной сигнализации, пожарный кран,щит электропитания), и предметов интерьера.

На рисунках 4.3 (б, в, г, д) представленысоответствующие 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 сектореуглов от -800 до +700 с шагом 10), а на рисунках 4.3 (ж, з, и, к) представлены соответствующиерадиоизображения, 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 масштабированотносительно максимального уровня из отраженных сигналов при всех углах сканирования.

Характеристики

Список файлов диссертации