Диссертация (1102680), страница 23

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

Текст из файла (страница 23)

В результате, это позволяетопределить, какие отражения на радиоизображении соответствуют реальным объектам сцены, акакие – являются паразитными.Также были проведены эксперименты по лоцированию и обнаружению движущихся инеподвижных людей на местности (рисунок 5.10).126Рисунок 5.8. Эксперимент в дворовом интерьере: а) фотография сканируемой сцены; радиоизображения,полученные в полосе частот б) 9.5–10.5 ГГц, в) 8–12 ГГц.127Рисунок 5.9.1.

Многопозиционное сканирование сцены с шагом 5 м вдоль прямой линии (от 0 м до 15 м).128Рисунок 5.9.2. Многопозиционное сканирование сцены с шагом 5 м вдоль прямой линии (от 20 м до 35 м).129Рисунок 5.10. Обнаружение двух человек на фоне отражений от подстилающей поверхности: азимут от 0 до 10градусов, дальность 32 м и 37 м.5.5.

Одновременное излучение частотных компонентДальность работы радара с зондирующими многочастотными сигналами определяетсяшагом по частоте между излучаемыми частотными компонентами. Например, шаг по частоте 10кГц обеспечит максимальную дальность 7.5 км, а 5 кГц – 15 км. Увеличение дальности и, какследствие, количества частотных компонент, а также (при необходимости) ширины полосыперестройки зондирующего сигнала приводит к значительному увеличению времени измерениячастотной характеристики. Для существенного увеличения скорости сканирования радара почастоте необходимо одновременно излучать частотные компоненты. При этом полный диапазончастот может быть разбит на несколько поддиапазонов. Например, генератор с мгновеннойполосой частот 250 МГц позволит перекрыть диапазон 4 ГГц за 16 перестроек его центральнойчастоты, также возможно использование одновременно 16 генераторов, настроенных насоответствующие центральные частоты.

Это позволит измерять комплексный коэффициентпередачи радиоканала на всех частотах одновременно в пределах одного поддиапазона или вовтором варианте в пределах всего диапазона частот. Затрачиваемое время измеренияэквивалентно измерению на одной частоте. Проведение измерений в сравнительно узких полосахподдиапазонов (порядка 100 МГц) позволяет строить приемо-передающие тракты оптимальныедля каждого поддиапазона частот, а также использовать относительно низкоскоростные АЦП иЦАП (0.2–1 Гвыб/с) высокой разрядности.

Использование узкополосных фильтров на каждойподнесущей позволяет существенно уменьшить уровень шумов и, соответственно, значительноувеличитьчувствительностьидинамическийдиапазон.Можетбытьиспользована130сверхширокополосная ФАР или АФАР, так как на каждой поднесущей имеется возможностьуправлять сдвигом фаз.5.6. Использование зондирующих ансамблей ортогональных сигналовОдним из видов многочастотных сигналов является широко известный и применяемый всистемах связи сигнал с модуляцией OFDM или ансамбль ортогональных сигналов. Этот типсигналов может быть использован при построении сверхширокополосного радиолокатора илиактивной системы радиовидения.

В данном случае генератор сигнала OFDM перестраивается впределах рабочей полосы с шагом, несколько меньшим полосы сигнала OFDM (для обеспечениянекоторого перекрытия соседних поддиапазонов измерений). В приемнике на каждойподнесущей сравнивается принятый (отраженный) и переданный сигналы, определяетсякомплексныйкоэффициентпередачирадиоканала.Значенияфазывподдиапазонахкорректируются на постоянную для каждого поддиапазона величину таким образом, чтобысреднеквадратическое отклонение разности фаз в областях перекрытия поддиапазонов быломинимальным (интерполяция фазы).

Это позволяет получить широкую общую полосу измеренийпри относительно небольшой полосе измерений в поддиапазонах (порядка сотен мегагерц), чтообеспечивает возможность использования сравнительно низкоскоростных АЦП с высокимдинамическим диапазоном.В результате, измерения комплексного коэффициента передачи радиоканала (на каждойчастоте) в пределах одного ансамбля ортогональных сигналов выполняются независимо друг отдруга. Полная полоса сканирования может быть измерена за несколько перестроек центральнойчастоты OFDM генератора.Система может быть построена на центральной частоте 10 ГГц с шириной полосы 1–4ГГц. Полная полоса частот при мгновенной полосе OFDM генератора 250–260 МГц будетперекрываться четырьмя поддиапазонами при полосе 1 ГГц и шестнадцатью поддиапазонамипри полосе 4 ГГц.

Время перестройки между поддиапазонами составляет 0.2 мс. Шаг по частотедолжен составлять от 1 кГц до 10 кГц. При полосе фильтра на каждой несущей 1 кГц времяизмерения в одном направлении луча антенны составит 4.8 мс при полосе 1 ГГц и 19.2 мс приполосе 4 ГГц. Соответственно, при полосе фильтра 10 кГц время измерения составит 1.2 мс приполосе 1 ГГц и 4.8 мс при полосе 4 ГГц.В каждом поддиапазоне предполагается использовать АЦП со скоростью 400 Мвыб/с иразрядностью 14 бит (оцифровка выполняется на нулевой частоте).

В результате, уровеньсобственных шумов приемника составит -166 дБ/Гц, а его динамический диапазон – 153 дБ/Гц.Угловое разрешение может быть улучшено путем использования узконаправленныхзеркальных антенн и/или увеличения центральной частоты зондирующего сигнала, например, до13137.5 ГГц (длина волны 8 мм, обусловлено наличием окна прозрачности). Система может такжеиметь два рабочих диапазона: трехсантиметровый и восьмимиллиметровый.Реализация алгоритма сверхразрешения, например, учет априорной информации –аппаратной функции приемо-передающей антенны (или антенн), позволит увеличить угловоеразрешение при тех же размерах апертуры используемых антенн.

Имеется также потенциальнаявозможность реализовать как прямой, так и обратный синтез апертуры.5.7. Сверхразрешение в активном радиовиденииОбозначим комплексную (амплитуда и фаза) частотную характеристику источникасигнала как Г  f  , аппаратную функцию передающей и приемной антенн АФ  f , f  , в которойf – частота,  f – пространственная частота от угла  , комплексный коэффициент передачисреды (оригинальный) H 0  f ,  f , коэффициент передачи, измеренный векторным анализаторомцепей H ВАЦ  f ,  f  .

Учитывая, что коэффициент передачи среды, измеренный ВАЦ, включает всебя действие аппаратной функции антенны, можно записать частотное соотношение для радара,в которое входят процессы генерации, излучение антенной, влияние среды распространения,прием антенной и регистрация приемником:Г  f   A f ,  f   H 0  f ,  f   АФ  f ,  f   П  f ,  f  .(5.1)В свою очередь, коэффициент передачи, измеренный ВАЦ, имеет видH ВАЦ  f ,  f  П  f , fГf  АФ  f ,  f2  H 0  f , f  .(5.2)Отсюда выразим оригинальный коэффициент передачи средыH0 f , f  H ВАЦ  f ,  fАФ  f ,  f2.(5.3)Оригинальный коэффициент передачи среды умножим на оконные функции S  f  и S  f H0 f , f  S  f  S  f  H ВАЦ  f ,  fАФ  f ,  f2 S  f   S  f  .(5.4)В результате, временные формы (дальностные портреты) вычисляем выполнением двухмерногопреобразования Фурье по  f и f и выполнением операции модуля.At ,   20 H  f , f   S  f   S  f   eH ВАЦ  f ,  fАФ  f ,  f2 S  f   S  f   e 2fef e  2tf  d f  df  2tf d f  df(5.5)132Таким образом, дальностные портреты с учетом алгоритма сверхразрешения имеют видAt ,   H ВАЦ  f ,  fАФ  f ,  f2 S  f   S  f   e 2 f e  2tf  d f  df .(5.6)5.8.

Измерение аппаратной функции антенныВычисление амплитудно-временных форм отраженного сигнала при реализацииалгоритма сверхразрешения требует, согласно выражению (5.6) из раздела 5.7, учета аппаратнойфункции антенны АФ  f , f  . При этом точность задания аппаратной функции влияет нарезультат применения алгоритма сверхразрешения. Как правило, аппаратная функция антенныизмеряется в безэховой камере. Однако в данном случае она может быть измерена в условияхмногочисленныхотраженийотобъектовурбанизированнойсреды.Действительно,экспериментальный макет радара функционирует в сверхширокой полосе частот и, какследствие, имеет высокую разрешающую способность по дальности, что позволяет выполнятьфильтрацию во временной области, тем самым избавившись от паразитных отражений отобъектов урбанизированной среды.При проведении измерений использовался металлический шарик диаметром 1.5 см,который подвешивался с помощью капроновой нити на высоте рупорных антенн АС надальности около 9м.

Измерялось радиоизображение сцены местности (с шариком) в полосечастот 8–12 ГГц (рисунок 5.11а), определялись диапазоны границ по дальности и по азимуту,соответствующие отклику от шарика (рисунок 5.11б). Эта область оставалась без изменений, аостальная часть заполнялась нулевыми значениями амплитуд. Формировалась матрица данных стеми же диапазонами границ, заполненная значениями, соответствующими окну БлэкменаХарриса (рисунок 5.11в). Вычислялось поэлементное произведение этих матриц (рисунок 5.11г)и выполнялось прямое преобразование Фурье в частотную область (рисунок 5.12). Далеевыполнялось прямое преобразование Фурье по углу в область пространственных частот (рисунок5.13).133а)б)в)г)Рисунок 5.11. Измерение временной формы сигнала, отраженного от металлического шара: а) радиоизображениешара (дальность около 9м, азимут от -200 до -320) на фоне подстилающей поверхности; б) “вырезанный”дальностный отклик от шара; в) оконная функция Блэкмена – Харриса, заданная в тех же координатах, что и откликот шара; г) результат умножения отклика от шара и оконной функции.134а)б)Рисунок 5.12.

Аппаратная функция антенны в координатах «угол – частота»: а) от 0 до 12 ГГц; б) от 8 до 12 ГГц.а)б)Рисунок 5.13. Пространственный спектр аппаратной функции: а) от 0 до 12 ГГц; б) от 8 до 12 ГГц.135Результаты и выводыРазработанисозданэкспериментальныймакетрадарасзондирующимиквазинепрерывными монохроматическими сигналами, дискретно перестраиваемыми по частотев сверхширокой полосе частот.

Получены радиоизображения урбанизированной местности,которые достаточно точно совпадают с ее картой. Представлены радиоизображения, полученныепри перемещении экспериментального макета радара вдоль прямой линии длиной 35 м исканировании сцены через каждые 5 м. На них видно, что отражения от стационарных объектовсцены неподвижны, а переотражения появляются в разных местах в зависимости от позиции, скоторой выполняется сканирование. Тем самым, это позволяет определить, какие отражения нарадиоизображении соответствуют реальным объектам сцены, а какие – являются паразитными.Проведены полевые испытания по обнаружению БПЛА, зависшего в воздухе.Измерена и вычислена методами временной фильтрации аппаратная функция антенны иее пространственный спектр для дальнейшего использования при реализации алгоритмасверхразрешения.Метод многочастотного зондирования имеет ряд преимуществ перед короткимиимпульсами, при этом время сканирования пространства при одновременном излучениичастотных компонент может быть уменьшено до нескольких секунд.Создание экспериментального макета радара со ступенчато-частотной модуляциейпоказывает, что радиолокационные системы с зондирующими многочастотными сигналами (приодновременном излучении частотных компонент) могут быть использованы в урбанизированнойсреде, например, для обеспечения безопасности движения, в территориально распределенныхсистемах охраны, в том числе для обнаружения людей и БПЛА малых размеров.

Также могутбыть созданы компактные переносные радары рюкзачного типа для работы в горной и лесистойместности в условиях плохой видимости.136ЗАКЛЮЧЕНИЕ1. Использование зондирующих радиоимпульсов наносекундной длительности позволяетповысить разрешающую способность по дальности до десятков сантиметров. Отражениезондирующего наносекундного радиоимпульса от разных рассеивающих элементов лоцируемогообъекта приводит к распаду пространственной когерентности, в связи с этим отраженноеизлучение не интерферирует между собой, а огибающая отраженного сигнала содержитинформацию о структуре цели: положение импульсов на временной шкале соответствуетвзаимному расположению локальных центров рассеивания, а их амплитуды – величине ЭПРлокальных центров.

Характеристики

Список файлов диссертации