Квазиоптические электронные сканеры электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн (1103353), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Подробнорассмотрен выбор параметров применяемой радиооптической антеннойсистемы. Рассмотрена компоновка системы. Разработана и примененаметодика построения радиотепловых изображений.В диссертации была поставлена задача по разработке системыближней пассивной радиометрии с параметрами близкими к современнымсистемам. Назначение такой системы - определению наличия, формы ипространственной ориентации потенциально-опасных предметов пододеждой человека (оружия, взрывных устройств, включая изготовленные сприменением пластиков или керамики), на основе радиотеплового методанаблюдения в миллиметровом диапазоне волн.Основные параметры разрабатываемой системы представлены втаблице 1.Таблица 1.
Исходные параметры разрабатываемой системы ближней пассивнойрадиометрии.ПараметрРазрешение получаемого радиоизображения, не менее(пиксель)Пространственное разрешение, не менее (см)Чувствительность, не более (°К)Температурное разрешение, не более (°К)Частота обновления кадров (кадр/сек)Динамический температурный диапазон,не менее (°К)Расстояние до объекта съемки, (м)Глубина резко изображаемого пространства, не менее (м)Минимальноезначение100×15050,512-450-702-41Основным вопросом при разработке системы являлся выборрадиооптической системы.
Как было показано ранее, основной проблемойявляется высокая стоимость радиометрических каналов и их относительнобольшое время накопления данных. Это не позволяет применятьзначительное количество приемников и обойтись без механического11сканирования. Механическое сканирование обеспечивается применениемперемещающихся зеркал или линз. Фокусировка радиотепловой сцены,производимая радиооптической системой, должна производиться на матрицуприемников. Отсюда получается, что для сохранения приемлемых габаритоввсей системы матрица приемников должна иметь минимальные размеры.Функциональная блок-схема квазиоптического сканера представленана рисунке 1.2.1.3.5.АЦП4.6.8.ММизлучениеот объекта9.Монитор7. КонтроллерРисунок 1.
Функциональная блок схема системы ближней радиометрии: 1 –плоское зеркало производящее сканирование, 2 – эллиптическое зеркало для фокусировкимм-излучения, 3 – приёмный СВЧ модуль миллиметрового диапазона, 4 –многоканальный блок обработки видеосигналов, 5 – аналого-цифровой преобразователь, 6– персональный компьютер, 7 – контроллер управления блоком позиционированияплоского зеркала, 8 – система термостабилизации.Миллиметровое излучение от исследуемого объекта черезрадиооптическую систему фокусируется на приёмный СВЧ модуль. При этомсканирование кадра по вертикали производится вращением плоского зеркала,а сканирование по горизонтали может производиться как электроннымспособом (при матрице сенсоров из 20-40 приемников) или же механическимсмещением меньшей матрицы (8-10 приемников).
Далее сигнал поступает намногоканальный блок обработки видеосигналов и проходит оцифровку вблоке АЦП. Цифровой код поступает на вход ЭВМ, где обрабатывается позаданным алгоритмам и выводится на монитор оператора. Антенная системапозиционируется блоком электродвигателей управляемых контроллером покомандам с ЭВМ.В третьей главе приведены радиоизображений реальных предметов,полученные на разработанной и созданной системе ближней радиометрии.12Рисунок 2 показывает, как выглядит человек с металлическими предметамипод одеждой на радиоизображении. На теле, под футболкой расположены:молоток 1, металлический нож 2 и металлическая фольга 3. Здесь мы видим,что радиоизображение предметов на фоне тела человека одинаково как приналичии, так и при отсутствии одежды.
Это связано с тем, чтомиллиметровое излучение проходит через одежду практически без затуханияили с малым затуханием. Радиоизображение содержит как самметаллический молоток, так и его деревянную ручку.Рисунок 2. Металлические предметы под одеждой на фоне тела человека. Фото ирадиоизображение.Представленные результаты, полученные на разработанной установке,можно значительно улучшить при модификации аппаратной и программнойчасти, главным образом применив математическую обработку алгоритмамина основе аппаратной функции.Четвертая глава посвящена определению основных параметров АФквазиоптического сканера, описанного в главе 2.
Разработан и примененподход, включающий аналитический расчет, численное моделирование иэкспериментальное измерение основных параметров АФ применяемойантенной системы. Поставлены эксперименты по измерению коэффициентовусиления эллиптической антенной системы с применением формулы Фриза.Для проверки точности изготовления эллиптической антенныпроведено практическое измерение ее коэффициента усиления.
Коэффициентусиления антенны является определяющей величиной, так как именно от неезависит какая часть энергии, исходящей от источника (из дальнего фокуса)достигнет приемника (ближнего фокуса). Для контроля этого параметра был13использован метод сравнения с применением формула Фриза длявзаимодействующих антенн, рисунок 3. В ближнем фокусе (1) был размещенрадиометрический приемник, сигнал на который поступал от генераторашума (4) через плоское зеркало (3) и эллиптическую антенну (2).3412Рисунок 3. Схема эксперимента по измерению коэффициента усиления антенны: 1 –радиометр, 2 – эллиптическая антенна, 3 – плоское зеркало, 4 – генератор шумаИз эксперимента был определен коэффициент усиления антенны G Э.А.
=1,75·10е4 (42,5 дБ). Среднее значение коэффициента усиления,определенного экспериментальным путем составило 42 дБ.Для проведения численного моделирования аппаратной функцииразработанной системы были задействованы программные продукты CSTMICROWAVE STUDIO и FECO (разработчик: EM Software&Systems).Результат численного эксперимента по определению напряженности поля вдальнем фокусе нецентральной эллиптической антенны показан нарисунке04.Рисунок 4. Графики E(X) и E(Y) в одних координатах dB.Принимая глубину резкости и диаметр пятна Эйри по уровню -3dB.Получим глубину резкости 1.9 м, а диаметр пятна – 4.1 см. Фактическидиаметр пятна Эйри представляет собой пространственное разрешение14системы. Коэффициент усиления эллиптической антенны при численноммоделировании составил 35 дБ. Эксперименты по численномумоделированию аппаратной функции позволили подтвердить правильностьпостроения системы радиометрии на основе выбранной радиооптическойантенной системы, так как с хорошей точностью подтвердили аналитическиерезультаты.Для практического измерения аппаратной функции построен стенд,схема которой приведена на рисунке 5, а внешний вид на рисунке 6.
Этотрехкоординатная позиционирующая система. Точность позиционированиясоставляет ± 0,1 мм при зоне перемещения 800×600×400 мм.Рисунок 5. Схема эксперимента для определения аппаратной функции.Рисунок 6. Измерительный стенд.На рисунке 7 показано изменение интенсивности сигнала на выходеприемника при перемещении источника излучения по оси OX. Из графикавидно, что линейное разрешение, которое определяется как ширина наполувысоте от максимума, по данной оси составляет 3,6 см.
Аналогичныепрактические измерения были проведены так же по осям OY и OZ.15Рисунок 7. Срез АФ по оси ОХОсновные параметры аппаратной функции были определенныеаналитически, методами численного моделирования и в ходе практическогоэксперимента представлены в таблице 2.Таблица 2. Сравнение параметров аппаратной функции разработанной системырадиометрии определенных разными способами.МетодПараметрДиаметр пятна Эйри(пространственноеразрешение по оси Yи Z), смГлубина резко изображаемогопространства(пространственноеразрешение по оси X), мКоэффициент усиленияэллиптической антенны, дБТеоретическийрасчетЧисленноемоделированиеПрактическиеизмерения4,74,13-3,62,41,9> 0,5 *53**3542Примечания:* - измерительный стенд допускает перемещение детектора по оси Х на 50см.
Однакопадение сигнала при отклонении от дальнего фокуса на 25 см по оси Х не более 7%, такимобразом, практические измерения удовлетворительно согласуются с теорией;** - максимально достижимое теоретическое значение.Применение трех подходов позволило с хорошей точность определитьформу и параметры АФ разработанного квазиоптического сканера ближней16пассивной радиометрии.
Эти данные является необходимым дляпоследующего применения к получаемым радиоизображениям алгоритмовсверхразрешения в основе которых и будет заложена данная аппаратнаяфункция.В пятой главе рассмотрена конструкция квазиоптического сканера дляобнаружения и визуализации источников излучения миллиметровогодиапазона. Показаны методики его калибровки и построениярадиоизображений.
Рассмотрено применение квазиоптических сканеров дляэкологического радиомониторинга и всепогодной навигации транспортныхсредств.Действующий макет сканера дальней радиометрии состоит изпараболической антенны с размещенным на ней радиометрическимприемником, поворотного механизма для позиционирования антеннойсистемы, блока аналого-цифровой обработки данных и персональногокомпьютера. Такой сканер представляет собой программно-аппаратныйкомплекс позволяющий обнаруживать источники излучения в диапазоне 37и 100 ГГц. Его структурная схема представлена на рисунке 8.15246738Рисунок 8. Структурная схема макета радиометрического сканера миллиметровогодиапазона. 1 – параболическое антенное зеркало, 2 – радиометрический приемник, 3 –механизм позиционирования, 4 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 5 –персональный компьютер, 6 – аналоговая информация от радиометра, 7 – цифроваяинформация от радиометра, 8 – сигналы управления и контроля механизмовпозиционирования.Параболическое зеркало 1, фокусирует радиотепловое излучение нарупорную антенну радиометрического приемника 2.
Процесс сканированияосуществляется точным позиционированием антенной системы специальнымповоротным механизмом 3, который обеспечивает установку заданныхкоординат по азимуту и углу места. Аналоговая информация 6 из радиометра17поступает в АЦП 4, где оцифровывается и в преобразованном виде 7поступает в персональный компьютер 5.Рисунок 9. Компьютерная модель и внешний вид радиометрического сканера.Установлены антенные системы 3-х и 8-миллиметрового диапазона.На рисунке 10 представлены фото и радиоизображения открытойместности с расположенными на ней автомобилями и металлическимипредметами.Рисунок 10. Фото (слева) и радиоизображение (справа) автомобиля, полученное спомощью макета комплекса в 3-мм диапазоне длин волн (100 ГГц).Более теплые предметы обозначены желтыми и красными цветами, ахолодные синими. Видны автомобили, которые ярко контрастируют сподстилающей поверхностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
