Квазиоптические электронные сканеры электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Павлов Роман Александрович

Квазиоптические электронные сканеры электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн

Специальность 01.04.01 —приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2013

Москва-2013

005540209

005540209

Работа выполнена в центре гидрофизических исследований физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор А.П. Сухоруков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова О.В. Снигирев

доктор физико-математических наук, профессор института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН

A.B. Корженевский

Ведущая организация:

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится 19 декабря 2013 года в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.66 в Московском государственном университете им М. В. Ломоносова, физический факультет, аудитория СФА. С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « 18 » ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,

к.ф.-м.н. Х/С-Л, . И.Н. Карташов

Введение

Диссертационная работа посвящена проблеме обнаружения и визуализации источников излучения миллиметрового диапазона при помощи квазиоптических электронных сканеров. Рассмотрены конструкции экспериментальных установок, методики измерения их основных параметров и методики построения радиоизображений в разработанных системах.

Актуальность темы. В настоящее время квазиоптические электронные сканеры миллиметрового диапазона (системы радиовидения) находят широкое применение во многих областях науки и техники - для обнаружения источников излучения, в диапазоне десятков и сотен ГГц, для проведения экологического радиомониторинга местности, для всепогодной навигации транспорта, а так же для поиска предметов, закрытых оптическим камуфляжем. Под квазиоптическими сканерами понимают программно аппаратные средства, позволяющее получать графическое фото или видео изображение источников излучения, окружающих предметов или местности в соответствующем диапазоне. Из практических областей применения квазиоптических сканеров можно выделить следующие: поиск и определение координат различных источников и передатчиков миллиметрового диапазона, проведение экологического и радиомониторинга, навигация авто и железнодорожного транспорта, воздушных и морских судов в условиях ограниченной видимости, а так же поиск замаскированных предметов для целей обеспечения безопасности.

По сравнению с существующими системами для решения обозначенных задач квазиоптические сканеры обладают рядом отличительных свойств. Основным достоинством является визуализация выходных данных — местоположение источника излучения непосредственно отображается на получаемом радиоизображении. Результатом работы является растровое изображение сканируемого пространства с визуально отличающимся местом расположения источника. В тоже время квазиоптические сканеры имеют меньшее угловое и, следовательно, пространственное разрешение. Квазиоптическим сканерам миллиметрового диапазона присуще низкое быстродействие, которое можно успешно устранить применением большого количества радиоприемных сенсоров в многоканальных системах.

Относительно низкое по сравнению с оптическими системами пространственное разрешение подчиняется дифракционному критерию

Релея, равное отношению длины волны к диаметру окуляра. Однако, применение специальных методов математической обработки принимаемой сканером информации позволяет преодолеть существующий предел и увеличивать разрешение в несколько раз по сравнению с обычными приемными системами. С этой целью вводится и анализируется аппаратная функция (АФ), описывающая распределение освещённости в создаваемом прибором изображении малого (точечного) источника излучения. Определение ее основных параметров позволяет при применении соответствующей математической обработке улучшать пространственное разрешение до 4-х и более раз.

Применение квазиоптических электронных сканеров, в уже освоенных областях приборами других диапазонов, является очень актуальным, так как позволяет получать дополнительную информацию, которой нет в изображениях даваемых таковыми приборами, например в оптическом и ИК диапазонах.

Использование именно пассивного способа позволяет получать изображения пространства, окружающей местности без облучения ее сигналами подсвета, а значит скрытно. Данный аспект является не маловажным при специальном применении подобных систем, поскольку затрудняет их обнаружение. Кроме того, факт обнаружения источников излучения, каких либо предметов, транспортных средств или групп людей будет оставаться незаметным для них самих. Скрытность наблюдения увеличивается при переходе к миллиметровому диапазону длин волн, в том числе из-за отсутствия портативных приборов контроля излучения.

В настоящее время квазиоптические сканеры находятся на этапе своего активного развития. Уже созданы и успешно применяются системы, принципиально способные получать радиоизображения. Сейчас основные усилия разработчиков направлены на улучшения качества изображений, увеличения быстродействия и уменьшения габаритов систем в целом. Как известно, миллиметровое излучение имеет малое затухание в условиях умеренного дождя, тумана и снегопада, а так же практически одинаково распространяется в любое время суток. Это позволяет уже сегодня создавать приборы для навигации различных транспортных средств в условиях ограниченной видимости. Сейчас такие устройства обладают малым быстродействием и довольно громоздки, однако, в ближайшем будущем появиться возможность создания систем с малыми габаритами и массой.

Цель работы. Целью работы является разработка и создание квазиоптического сканера миллиметрового диапазона, а так же методики наиболее точного определения аппаратной функции для ее последующего применения в алгоритмах математической обработки получаемых радиоизображений.

В работе поставлены и решаются задачи выбора оптимальной конструкции антенной системы, определения необходимого количества радиометрических сенсоров, способа сканирования радиотепловых сцен, частоты кадров, параметров радиометров, методов математической обработки, компоновки и массогабаритных параметров готовых систем. Особое внимание уделено исследованию свойств аппаратной функции (АФ) системы в целом с помощью математических расчетов, численного моделирования и практического измерения при помощи трехмерной позиционирующей системы.

Научная новизна.

В процессе выполнения работы разработаны квазиоптические сканеры для поиска источников новыми способами на основе визуализации излучения и получения радиоизображений местности в миллиметровом диапазоне длин волн. Для разработанных и созданных квазиоптических сканеров предложены оригинальные методики построения радиоизображений с точки зрения оптимального соотношения между временем сканирования, пространственным разрешением и чувствительностью.

Разработана оригинальная методика наиболее точного определения АФ радиооптических систем квазиоптических сканеров на основе применения аналитического подхода, численного моделирования и практических измерений распределения поля в пространстве. Для измерения реальных параметров АФ разработан и построен стенд точного трехмерного позиционирования на базе конструктора LEGO Mindstorms NXT 2.0.

Решена задача по обнаружению, локализации и точному определению места положения источника излучения миллиметрового диапазона при помощи квазиоптических электронных сканеров. На получаемой двухмерной картине распределения радиояркостных температур отображаются участки с неспецифическим излучением. Таким образом, методами радиометрии строятся радиояркостные изображения, на которых «визуально» показаны источники. В работе построены радиотепловые изображения различных источников излучения миллиметрового диапазона.

Установлена слабая зависимость результатов работы систем дальней пассивной радиометрии от погодных условий. Радиояркостные изображения, полученные в темное время суток, в умеренный дождь, снег и туман с меньшим на порядок контрастом, качественно не теряют в информативности.

Практическая значимость данной работы заключается в том, что в ней поставлены и решены актуальные востребованные практикой задачи построения квазиоптических сканеров миллиметрового диапазона нового поколения. Разработаны и реализованы квазиоптические электронные сканеры, для поиска источников излучения миллиметрового диапазона, проведения экологического мониторинга, а так же для получения радиоизображения местности в не зависимости от времени суток и погодных условий.

Получены радиоизображения реальных источников излучения, местности в условиях дождя и тумана, а также различных предметов под оптическим камуфляжем, в том числе одеждой человека, в условиях приближенных к реальным.

Защищаемые положения.

1. Разработаны и созданы оригинальные конструкции квазиоптических электронных сканеров, позволяющие обнаруживать источники излучения в миллиметровом диапазоне длин волн с обзором в секторе 25 градусов.

2. Построена квазиоптическая многоцелевая система для обнаружения пассивных спрятанных предметов и удаленных объектов при любых погодных условиях с пространственным и угловым разрешением.

3. Визуализация объектов основана на использовании 8 канальной матрицы микроволновых сенсоров с применением механического растрового сканирования.

4. Измерение основных параметров аппаратной функции, играющей ключевую роль в достижении сверхразрешения, проведено на созданном стенде трехмерного позиционирования тестовых источников с привлечением результатов численного моделирования и натурного эксперимента.

5. В серии экспериментов в диапазоне частот 100 ГГц получены микроволновые изображения (1) источников излучения, (2) скрытых под оптическим камуфляжем предметов, а также (3) окружающей местности и удаленных объектов. Эти данные согласуются с развитой теорией.

Апробация работы и публикации

Разработанные методы и подходы применены при создании действующих программно-аппаратных сканеров в рамках государственного контракта № 02.740.11.0230 в 2009-2012 годах .

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на конференциях: «Фестиваль науки» (Москва, 2008), «Инновационный проект 2008» и «Инновационный проект 2009», физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, «Радиолокация и радиосвязь» - ИРЭ РАН, 2010 г., «Технологии специального назначения» (2012 год), Всероссийском молодежном образовательном форуме «Селигер 2009», на салонах промышленной собственности «Архимед 2008» и «Архимед 2009», на Молодежном форуме «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов физического факультета МГУ» в 2009 году, на XIX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» г. Воронеж в 2013 году, на XII, XIII и XIV Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» («Волны - 2011, 2012 и 2013»), на Дне инноваций министерства обороны РФ в 2013 году и других мероприятиях.

По результатам работ получен патент на изобретение и полезную модель.

Личный вклад автора

Автором были разработка методики получения радиоизображений и созданы автоматизированные системы механического сканирования квазиоптических сканеров. Для измерения основных параметров и построения аппаратной функции радиооптической системы был разработан и изготовлен стенд трехмерного позиционирования. Проведены эксперименты по юстировке и настройке основных систем создаваемых сканеров для достижения расчетных параметров по радиотемпературной чувствительности и пространственному разрешению.

Автор принимал участие в разработке конструкции программно-аппаратного комплекса, по обнаружению под одеждой предметов, выполненных из различных материалов; разработке радиооптической системы программно-аппаратного комплекса на основе офсетного эллиптического зеркала для 3 миллиметрового диапазона; проведении математического моделирования параметров радиооптической антенной системы; получении радиоизображений различных предметов, в том числе под одеждой на фоне тела человека.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 85 наименований. Общий объем текста - 115 страниц, работа содержит 80 рисунков и 6 таблиц.

Во введении показан современный этап развития квазиоптических сканеров, рассмотрены основные достоинства и недостатки миллиметровых систем. Показана актуальность и практическая значимость диссертационной работы, сформированы цели и задачи работы, указаны научная новизна и ее практическая ценность. В конце введения указываются положения, выносимые на защиту.

Основная задача радиометрии — сбор информации об объекте и отображение её в видимом изображении. Для этих целей разрабатываются и применяются специальные приборы - квазиоптические сканеры.

Конечно, системы радиометрии, в результате своей работы должны получать наиболее информативное изображение. В общем случае под информативным изображением мы понимаем изображение с максимально возможным пространственным и температурным разрешением. Увеличение разрешение достигается двумя путями — улучшением аппаратной части и применением методов математической обработки.

Возросшая потребность в радиометрических системах объясняется, в том числе, появившимися возможностями создания компактных радиометрических приемников — радиометров, что обусловлено прогрессом в области полупроводниковых приборов миллиметрового диапазона. Именно миллиметровая радиометрия интересна тем, что позволяет получать изображения предметов с разрешением практически близким к оптическому, и в то же время позволяет синтезировать изображения предметов за значительным слоем камуфляжа. Развитие технических средств маскировки в диапазонах работы тепловизоров и металлодекторов так же способствует развитию систем радиовидения. Однако широкое распространение подобных систем невозможно без достижения ими параметров, сопоставимых с параметрами систем инфракрасного, оптического и рентгеновского диапазонов. Это необходимо для интуитивного визуального восприятия радиотепловых изображений предметов путем визуализации их формы и местоположения. Основными характеристиками систем радиовидения являются пространственное разрешение, быстродействие и чувствительность.

Принципиальной проблемой радиометрии является пространственное разрешение, которое характеризует минимальные размеры обнаруживаемого

8

предмета. Пространственное разрешение непосредственно связано с угловым разрешением через расстояние до объекта сканирования. Угловое разрешение (Дф) ограничивается Релеевским пределом:

Дф^ХЛЭ,

где X - длина воны, О - апертура антенной системы. Повысить разрешение системы можно уменьшая X и увеличивая Б. Однако очевидно, что эти изменения не всегда могут быть реализованы.

Одним из способов повышения разрешения является применение математической обработки к полученным данным. Цель такой обработки -компенсация искажений изображения, вызванных конечным угловым разрешением системы. Это реализуется путем математического решения обратной задачи восстановления исходного изображения после сканирования его антенной системой с определенной диаграммой направленности. Разрешение, получаемое после такой обработки, называется сверхразрешением. А алгоритмы и методы его получения - алгоритмами сверхразрешения. Для максимально эффективного использования алгоритмов сверхразрешения необходимо знать, какие именно изменения вносит диаграмма направленности. Безусловно, диаграмма направленности любой антенной системы вносит сильные искажения в получаемые радиоизображения. Именно по этому, знание ее параметров и формы исключительно важно для решения обратной задачи и применения в алгоритмах сверхразрешения.

Диаграмму направленности антенной системы будем называть аппаратной функцией (АФ) системы радиометрии. Таким образом, для создания и применения алгоритмов сверхразрешения необходимо знать аппаратную функцию конкретной системы с высокой точностью.

В первой главе описываются принципы работы квазиоптических электронных сканеров, рассмотрены существующие модели, приведены их основные технические параметры, в частности по разрешению. Представлена структурная схема систем радиометрии. Рассмотрены понятия радиояркостной температуры и радиояркостного контраста. Показаны принципы построения радиоизображений. Рассмотрена проблема пространственного разрешения превышающего предел Релея.

Системы пассивной радиометрии (квазиоптические сканеры) позволяют получать визуальные изображения, соответствующие распределению радиояркостной температуры по поверхности исследуемого объекта или сцены. Регистрация микроволнового теплового излучения осуществляется с помощью сверхчувствительных приемников —

радиометров, принцип действия которых основан на накоплении слабого сигнала. Широкое распространение получили системы миллиметрового диапазона. Это связано, во-первых, с относительно короткой длиной волны, что позволяет строить компактные системы, обладающие приемлемым угловым разрешением. Во-вторых, в этом диапазоне существуют окна прозрачности атмосферы, в которых поглощение радиоволн минимально.

По задачам наблюдения системы радиовидения можно разделить на системы ближней и дальней радиометрии. Системы дальнего действия предназначены для получения изображений предметов, расположенных на расстоянии сотен метров или даже нескольких километров. Их основная задача - слежение за местностью и навигация транспортных средств. Отдельно стоит отметить возможность проведения такими системами радиотехнического и экологического радиомониторинга. Системы ближнего действия позволяют получать изображения близкорасположенных предметов, что позволяет судить об их внешнем виде, внутреннем строении и свойствах отражения или поглощения волн данного диапазона. Здесь основным назначением является создание досмотровых комплексов и систем, предназначенных, в том числе, для контроля проноса запрещенных предметов и противодействию террористическим угрозам.

По способу получения радиотеплового излучения от наблюдаемого объекта, существующие системы радиовидения можно разделить на два больших класса - активные и пассивные.

Работа активных систем основана на принципе радиолокации -излучении зондирующего импульса и приема его отражения от цели. В зависимости от характеристик принятого сигнала определяются характеристики облучаемого предмета. В реальных системах для получения расчетных технических характеристик, в первую очередь чувствительности, в качестве зондирующего сигнала используют подсветку.

Пассивные же системы напротив, регистрируют собственное радиотепловое излучение объектов. Такие системы абсолютно безопасны для здоровья человека, что особенно актуально при создании систем сканирования пассажиров. Однако у пассивных систем есть принципиальные недостатки, основным из которых является значительно меньшее отношение сигнал/шум, чем у активных систем. Поэтому применение алгоритмов математической обработки для улучшения разрешения становится еще более актуальным.

Визуализация радиоизображений в миллиметровом диапазоне длин волн строится на измерении радиояркостного контраста исследуемой сцены.

Радиояркостная температура по определению равна физической температуре такого абсолютно черного тела, которое создавало бы излучение такой же интенсивности в исследуемом частотном диапазоне, как и исследуемый объект.

Во второй главе поставлена и решена задача по разработке и созданию квазиоптического сканера для обнаружения предметов скрытых под оптическим камуфляжем, в том числе под одеждой человека. Подробно рассмотрен выбор параметров применяемой радиооптической антенной системы. Рассмотрена компоновка системы. Разработана и применена методика построения радиотепловых изображений.

В диссертации была поставлена задача по разработке системы ближней пассивной радиометрии с параметрами близкими к современным системам. Назначение такой системы - определению наличия, формы и пространственной ориентации потенциально-опасных предметов под одеждой человека (оружия, взрывных устройств, включая изготовленные с применением пластиков или керамики), на основе радиотеплового метода наблюдения в миллиметровом диапазоне волн.

Основные параметры разрабатываемой системы представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные параметры разрабатываемой системы ближней пассивной радиометрии.

Параметр Минимальное значение

Разрешение получаемого радиоизображения, не менее (пиксель) 100x150

Пространственное разрешение, не менее (см) 5

Чувствительность, не более (°К) 0,5

Температурное разрешение, не более (°К) 1

Частота обновления кадров (кадр/сек) 2-4

Динамический температурный диапазон, не менее (°К) 50-70

Расстояние до объекта съемки, (м) 2-4

Глубина резко изображаемого пространства, не менее (м) 1

Основным вопросом при разработке системы являлся выбор радиооптической системы. Как было показано ранее, основной проблемой является высокая стоимость радиометрических каналов и их относительно большое время накопления данных. Это не позволяет применять значительное количество приемников и обойтись без механического

11

сканирования. Механическое сканирование обеспечивается применением перемещающихся зеркал или линз. Фокусировка радиотепловой сцены, производимая радиооптической системой, должна производиться на матрицу приемников. Отсюда получается, что для сохранения приемлемых габаритов всей системы матрица приемников должна иметь минимальные размеры.

Функциональная блок-схема квазиоптического сканера представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная блок схема системы ближней радиометрии: 1 -плоское зеркало производящее сканирование, 2 - эллиптическое зеркало для фокусировки мм-излучения, 3 - приемный СВЧ модуль миллиметрового диапазона, 4 -многоканальный блок обработки видеосигналов, 5 - аналого-цифровой преобразователь, 6 - персональный компьютер, 7 - котроллер управления блоком позиционирования плоского зеркала, 8 - система термостабилизации.

Миллиметровое излучение от исследуемого объекта через радиооптическую систему фокусируется на приёмный СВЧ модуль. При этом сканирование кадра по вертикали производится вращением плоского зеркала, а сканирование по горизонтали может производиться как электронным способом (при матрице сенсоров из 20-40 приемников) или же механическим смещением меньшей матрицы (8-10 приемников). Далее сигнал поступает на многоканальный блок обработки видеосигналов и проходит оцифровку в блоке АЦП. Цифровой код поступает на вход ЭВМ, где обрабатывается по заданным алгоритмам и выводится на монитор оператора. Антенная система позиционируется блоком электродвигателей управляемых контроллером по командам с ЭВМ.

В третьей главе приведены радиоизображений реальных предметов, полученные на разработанной и созданной системе ближней радиометрии.

Рисунок 2 показывает, как выгладит человек с металлическими предметами под 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 при наличии, так и при отсутствии одежды. Это связано с тем, что миллиметровое излучение проходит через одежду практически без затухания или с малым затуханием. Радиоизображение содержит как сам металлический молоток, так и его деревянную ручку.

Рисунок 2. Металлические предметы под одеждой на фоне тела человека. Фото и радиоизображение.

Представленные результаты, полученные на разработанной установке, можно значительно улучшить при модификации аппаратной и программной части, главным образом применив математическую обработку алгоритмами на основе аппаратной функции.

Четвертая глава посвящена определению основных параметров АФ квазиоптического сканера, описанного в главе 2. Разработан и применен подход, включающий аналитический расчет, численное моделирование и экспериментальное измерение основных параметров АФ применяемой антенной системы. Поставлены эксперименты по измерению коэффициентов усиления эллиптической антенной системы с применением формулы Фриза.

Для проверки точности изготовления эллиптической антенны проведено практическое измерение ее коэффициента усиления. Коэффициент усиления антенны является определяющей величиной, так как именно от нее зависит какая часть энергии, исходящей от источника (из дальнего фокуса) достигнет приемника (ближнего фокуса). Для контроля этого параметра был

13

использован метод сравнения с применением формула Фриза для взаимодействующих антенн, рисунок 3. В ближнем фокусе (1) был размещен радиометрический приемник, сигнал на который поступал от генератора шума (4) через плоское зеркало (3) и эллиптическую антенну (2).

радиометр, 2 - эллиптическая антенна, 3 - плоское зеркало, 4 - генератор шума

Из 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 функции разработанной системы были задействованы программные продукты CST MICROWAVE STUDIO и FECO (разработчик: ЕМ Software&Systems). Результат численного эксперимента по определению напряженности поля в дальнем фокусе нецентральной эллиптической антенны показан на

Принимая глубину резкости и диаметр пятна Эйри по уровню -Зс1В. Получим глубину резкости 1.9 м, а диаметр пятна - 4.1 см. Фактически диаметр пятна Эйри представляет собой пространственное разрешение

системы. Коэффициент усиления эллиптической антенны при численном моделировании составил 35 дБ. Эксперименты по численному моделированию аппаратной функции позволили подтвердить правильность построения системы радиометрии на основе выбранной радиооптической антенной системы, так как с хорошей точностью подтвердили аналитические результаты.

Для практического измерения аппаратной функции построен стенд, схема которой приведена на рисунке 5, а внешний вид на рисунке 6. Это трехкоординатная позиционирующая система. Точность позиционирования составляет ±0,1 мм при зоне перемещения 800х600*400 мм.

Рисунок 6. Измерительный стенд.

На рисунке 7 показано изменение интенсивности сигнала на выходе приемника при перемещении источника излучения по оси ОХ. Из графика видно, что линейное разрешение, которое определяется как ширина на полувысоте от максимума, по данной оси составляет 3,6 см. Аналогичные практические измерения были проведены так же по осям О У и ОЪ.

Ззвжлмооъ РЯ «ом-'ргсгл от х&зрдлкзп* X

Рисунок 7. Срез АФ по оси ОХ

Основные параметры аппаратной функции были определенные аналитически, методами численного моделирования и в ходе практического эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение параметров аппаратной функции разработанной системы радиометрии определенных разными способами.

Параметр Теоретический расчет Численное моделирование Практические измерения

Диаметр пятна Эйри (пространственное разрешение по оси Уи 2), см 4,7 4,1 3-3,6

Глубина резко изображаемого пространства (пространственное разрешение по оси X), м 2,4 1,9 >0,5 *

Коэффициент усиления эллиптической антенны, дБ 53** 35 42

Примечания:

* - измерительный стенд допускает перемещение детектора по оси X на 50см. Однако падение сигнала при отклонении от дальнего фокуса на 25 см по оси X не более 7%, таким образом, практические измерения удовлетворительно согласуются с теорией; ** - максимально достижимое теоретическое значение.

Применение трех подходов позволило с хорошей точность определить форму и параметры АФ разработанного квазиоптического сканера ближней

16

пассивной радиометрии. Эти данные является необходимым для последующего применения к получаемым радиоизображениям алгоритмов сверхразрешения в основе которых и будет заложена данная аппаратная функция.

В пятой главе рассмотрена конструкция квазиоптического сканера для обнаружения и визуализации источников излучения миллиметрового диапазона. Показаны методики его калибровки и построения радиоизображений. Рассмотрено применение квазиоптических сканеров для экологического радиомониторинга и всепогодной навигации транспортных средств.

Действующий макет сканера дальней радиометрии состоит из параболической антенны с размещенным на ней радиометрическим приемником, поворотного механизма для позиционирования антенной системы, блока аналого-цифровой обработки данных и персонального компьютера. Такой сканер представляет собой программно-аппаратный комплекс позволяющий обнаруживать источники излучения в диапазоне 37 и 100 ГГц. Его структурная схема представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Структурная схема макета радиометрического сканера миллиметрового диапазона. 1 - параболическое антенное зеркало, 2 - радиометрический приемник, 3 -механизм позиционирования, 4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 5 -персональный компьютер, 6 - аналоговая информация от радиометра, 7 - цифровая информация от радиометра, 8 - сигналы управления и контроля механизмов позиционирования.

Параболическое зеркало 1, фокусирует радиотепловое излучение на рупорную антенну радиометрического приемника 2. Процесс сканирования осуществляется точным позиционированием антенной системы специальным поворотным механизмом 3, который обеспечивает установку заданных координат по азимуту и углу места. Аналоговая информация 6 из радиометра

8

поступает в АЦП 4, где оцифровывается и в преобразованном виде 7 поступает 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 открытой местности с расположенными на ней автомобилями и металлическими предметами.

Рисунок 10. Фото (слева) и радиоизображение (справа) автомобиля, полученное с помощью макета комплекса в 3-мм диапазоне длин волн (100 ГГц).

Более теплые предметы обозначены желтыми и красными цветами, а холодные синими. Видны автомобили, которые ярко контрастируют с подстилающей поверхностью. Это происходит из-за того, что коэффициент

18

отражения от металла практически равен 1. Следовательно, он отражает все излучение неба, которое на него попадает. Этим и объясняется столь большая разница в контрасте металлических предметов и подстилающей поверхности.

На рисунке 11 показана фотография и радиоизображения здания на территории МГУ имени М.В. Ломоносова. Время, затраченное на получение всего изображения, порядка 20 минут. Полученное время формирования изображения не является значительным недостатком, так как сканируются в основном стационарные объекты - технические сооружения, антенные мачты, здания. Треугольниками Д показаны места размещения генераторов шума в диапазоне 100 ГГц. На макете могут применяться антенны с апертурой от 0,2 до 0,6 метра. Время сканирования составляет от 5 до 45 минут в зависимости от количества сканируемых строк и, как следствие, качества принимаемого изображения.

Рисунок 11. Фото и радиоизображение здания с локализованными источниками излучения в 3-мм диапазоне (100 ГГц), полученное с помощью макета предлагаемого комплекса, Д - источник излучения.

Преимущество методов пассивной радиометрии проявляется при решении задачи обнаружения посторонних источников. Они позволяют визуально «увидеть» источники и другие излучающие предметы, как показано на рисунках 11-12. Этого не позволяют сделать другие методы, например радиопеленгация.

Рисунок 12. Радиоизображение маломощного источника, расположенного в автомобиле

Созданный макет радиометрического сканера имеет чувствительность порядка 1К в диапазоне 100 ГГц и способен обнаруживать шумовые источники соответствующего диапазона мощностью от 100 мВт на удалении 500 м. При использовании более совершенных радиоэлементов можно значительно улучшить технические характеристики сканера.

Рисунок 13. Фото и радио изображения местности, полученные в различных погодных условиях.

Преимущество квазиоптических сканеров миллиметрового диапазона перед системами другими диапазонами состоит в том, что миллиметровые волны слабо затухают в атмосфере, в то же время позволяют получать изображения с разрешением, близким к оптическому. Таким образом, возможно создание систем для навигации автомобилей, морских и воздушных судов в темное время суток и в условиях плохой видимости.

Основные результаты и выводы

1. Разработаны и реализованы новые конструкции квазиоптических электронных сканеров для обнаружения источников излучения миллиметрового (3 мм и 8 мм) диапазона, поиска предметов под оптическим камуфляжем и всепогодного видения. Разработаны и применены оригинальные методики построения радиоизображений на данных сканерах.

2. Разработан, изготовлен и применен для измерения аппаратной функции стенд трехмерного позиционирования тестовых источников. Разработана и применена методика определения основных параметров аппаратной функции на основе теоретического расчета, численного моделирования и натурного эксперимента. Измерены параметры аппаратной функции квазиоптического сканера. Полученные результаты применены в алгоритмах математической обработки, так называемых алгоритмах «сверхразрешения».

3. На созданных сканерах получен ряд радиоизображений источников излучения 100 ГГц диапазона частот, предметов срытых под оптическим камуфляжем, а так же местности для целей радиомониторинга и всепогодной навигации.

Список основных публикаций

1. Гладун, В.В. Определение основных параметров систем пассивного радиовидения / В.В. Гладун, В.И. Криворучко, В.В. Маркелов, Р.А. Павлов, В.Б.Петухов, Ю.А. Пирогов, Д.П. Солдатов, Д.А. Тищенко // Волны - 2012 : Сборник трудов Всероссийской школы-семинара. — М.: МГУ. — С. 20 — 23.

2. Гладун, В.В. Система ближнего пассивного радиовидения 3-мм диапазона / В.В.Гладун, А.В. Котов, В.И. Криворучко, Р.А. Павлов, Ю.А. Пирогов, Д.А. Тищенко // Журнал Радиоэлектроники. - 2010. - № 07. URL: http://jre.cplire.rU/jre/jullO/2/text.html

3. Гладун, В.В. Система ближнего пассивного радиовидения с наклонно-коническим сканированием / В.В. Гладун, А.В. Котов, В.И. Криворучко, Р.А. Павлов, Ю.А. Пирогов, Д.А. Тищенко // Волны - 2011: Сборник трудов Всероссийской школы-семинара. - М.: МГУ. - С. 6 - 10.

4. Gladun, V.V. System of Short-Range Passive Radiovisión with Tilt Conical Scanning / V.V. Gladun, A.V. Kotov, V.I. Krivoruchko, V.V. Markelov, R.A. Pavlov, V.B. Petukhov, Yu.A. Pirogov, D.P. Soldatov, D.A. Tishchenko // Physics of Wave Phenomena. - 2012. - V. 20. № 02. - P. 131-133.

5. Лебедев, A.B. Аппаратная функция двухэлементного корреляционного радиометра с незаполненной апертурой / В.В. Гладун, A.B. Котов, P.A. Павлов, Ю.А. Пирогов, Д.А. Тищенко, Чжэн Сюй-фэн // Журнал Радиоэлектроники. - 2010. - № 08. URL: http://jre.cplire.rU/koi/auglO/2/text.pdf

6. Павлов, P.A. Многофункциональный квазиоптический сканер миллиметрового диапазона длин волн / P.A. Павлов, В.В. Маркелов, Д.П. Солдатов, А.П. Сухорукое, Д.А.Тищенко // Радиолокация, навигация, связь : труды XIX международной научно-технической конференции. - Воронеж: Воронежский гос. ун-т, 2013. — Т. 1. — С. 689 -697.

7. Солдатов, Д.П. Квазиоптический сканер миллиметрового диапазона / Д.П. Солдатов, В.В. Маркелов, P.A. Павлов, А.П. Сухоруков, Д.А. Тищенко // Волны - 2013 : Сборник трудов Всероссийской школы-семинара. - М.: МГУ.-С. 51-53.

8. Солдатов, Д.П. Обнаружение потенциально опасных предметов с помощью системы пассивного радиовидения миллиметрового диапазона / Д.П. Солдатов, В.В. Гладун, Ю.А. Пирогов, P.A. Павлов, Д.А.Тищенко // Ученые записки физического факультета МГУ. -2012. -№01.-С. 120109—1—120109— 6.

9. Солдатов, Д.П. Система пассивного радиовидения с наклонным сканированием / Д.П. Солдатов, В.В. Гладун, В.В. Маркелов, P.A. Павлов, В.Б. Петухов, Ю.А. Пирогов, Д.А. Тищенко // Известия РАН, Серия физическая. - 2012. - Т. 76, № 12. - С. 1530-1533.

10. Тепловизор : пат. на изобретение № 2369847 Рос. Федерация : / Ю.А. Пирогов, Д.А. Тищенко, В.В. Гладун, P.A. Павлов, A.B. Котов, Н.В.Анисимов; заявитель и патентообладатель Ю.А. Пирогов, Д.А. Тищенко, В.В. Гладун, P.A. Павлов, A.B. Котов, Н.В. Анисимов; заявл. 05.06.2008; опубл. 10.10.2009.

11. Тепловизор : пат. на полезную модель № 77424 Рос. Федерация: / Ю.А. Пирогов, Д.А. Тищенко, В.В. Гладун, Р. А. Павлов, А. В. Котов, Н.В. Анисимов; заявитель и патентообладатель - Ю. А. Пирогов, Д.А.Тищенко, В. В. Гладун, Р. А. Павлов, А. В. Котов, Н.В. Анисимов; зарег. 20.10.2008; опубл. 10.10.2009.

Подписано в печать: 16.11.2013 Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 202 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

На правах рукописи

04201451694

Павлов Роман Александрович

Квазиоптические электронные сканеры электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн .

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Сухоруков А.П.

Москва - 2013 г.

Аннотация

В работе проведен обзор развития систем' пассивной радиометрии миллиметрового диапазона и их состояния в настоящий момент. Подробно описаны принципы их функционирования. Рассмотрены существующие виды и типы подобных систем с проведением классификации, рассмотрены достоинства и принципиальные недостатки систем радиометрии по сравнению с системами других диапазонов длин волн.

Показаны способы построения радиотепловых изображений наблюдаемых сцен. Рассмотрено понятие аппаратной функции. Показано её определяющее значение для математической обработки полученных экспериментальных данных, с целью получения максимально информативного изображения. Рассмотрен пример практически использованных расчетов для определения аппаратной функции как диаграммы направленности антенной системы. Показана необходимость определения аппаратной функции. Поставлена и решена задача определения аппаратной функции для применения ее в алгоритмах сверх разрешения. Показаны примеры обработки радиотепловых изображений методами воснову которых положена аппаратная функция. Приведены примеры полученных радиотепловых изображений различных предметов. Рассмотрены пути совершенствования и перспективы развития пассивного радиовидения миллиметрового диапазона. Основная цель применение подобных систем -получение изображений предметов недоступных в других диапазонах. Однако до сих пор не решен ряд задач применения систем радиометрии - в частности основной проблемой является не достаточно высокое пространственное разрешение.

Поскольку системы радиометрии визуализируют картину, получаемую в миллиметровом диапазоне, возник вопрос о возможности проведения технического и экологического радио мониторинга местности системами радиометрии.

В работе были поставлены и решены следующие задачи: разработать систему ближней радиометрии с параметрами близкими к современным системам;

получить радиоизображений реальных предметов под одеждой человека;

разработать действующий макет радиометрического сканера для построения радиоизображения местности, поиска источников излучения, проведения технического и экологичекогорадиомониторинга;

получить радиоизображений местности и источников излучения в миллиметровом диапазоне длин волн.

В работе описаны методики расчета, моделирования и измерения аппаратной функции различных систем радиовидения оптимальной для применения в алгоритмах сверхразрешения с целью получения наиболее информативных радиоизображений и повышения их радиотеплового разрешения. Рассматрены ситуации ближней (2-6 м) и дальней (50-500 м) радиометрии. Разработана методика построения изображения в разработанной системе ближней радиометрии. Разработана методика построения радиоизображений местности и источников излучения для макета системы дальней радиометрии.

Получены радиоизображения реальных предметов и источников миллиметрового излучения расположенных на местности.

Используемые сокращения и термины

АФ - аппаратная функция

Радиояркостная температура - температура наблюдаемая системой " радиометрии, эквивалентна физической температуре абсолютно черного тела Радиояркостный контраст - разность радиояркостной температуры наблюдаемого тела и фона

Радиоизображение - изображение предмета или области пространства, получаемое системой радиометрии.

Сверхразрешение - пространственное разрешение радиоизображений превышающее Релеевский порог, получаемое при помощи математической обработки.

Ть - наблюдаемая радиояркостная температура Т) - радиояркостный контраст То - радиояркостная температура объекта ТГ - радиояркостная температура фона

Содержание

Введение.......................................................................................................................................7

Глава 1. Принципы работы квазиоптических сканеров.................................................13

1.1 Структурная схема систем радиометрии....................................................................................13

1.2 Обзор существующих систем радиометрии.................................................................................17

1.3 Основные параметры систем радиометрии.................................................................................28

1.4 Радиояркостная температура.........................................................................................................31

1.5 Радиотепловой контраст.......................................................................................л........................33

1.6 Принцип построения радиоизображения......................................................................................37

1.7 Построение непрямоугольных растров...........................................................................................37

1.8 Проблемы аналоговой обработки сигналов...................................................................................40

1.9 Сверхразрешение.........................................................................................................;........................41

Глава 2. Квазиоптический сканер ближней радиометрии...............................................43

2.1 Понятие радиометрии ближнего поля.....................................;.....................................................43

2.2 Решение поставленной задачи..........................................................................................................44

2.3 Выбор радиооптической схемы........................................................................................................45

2.4 Структурная схема.............................................................................................................................50

2.5 Радиооптическая антенная система..............................................................................................52

2.6 Компоновка системы радиовидения................................................................................................53

2.7 Методика калибровки матрицы приемных сенсоров...................................................................56

2.8 Методика построения радиотепловых изображений................................................................58

Глава 3. Радиоизображения реальных предметов............................................................62

3.1 Полученные результаты....................................................................................................................62

Глава 4. Определение основных параметров аппаратной функции.............................71

4.1 Измерение коэффициента усиления антенны...............................................................................71

4.2 Численное моделирование аппаратной функции..........................................................................74

4.3 Экспериментальное построение аппаратной функции.............................................................84

4.4. Соответствие теории, численного моделирования и эксперимента.....................................90

Глава 5. Квазиоптический сканер дальней радиометрии............................................91

5.1 Понятие дальней радиометрии........................................................................................................91

5.2 Выбор радиооптической схемы........................................................................................................92

5.3 Структурная схема............................................................................................................................93

5.4 Методика калибровки приемных сенсоров.....................................................................................94

5.5 Методика построения радиотепловых изображений................................................................94

5

5.6 Компоновка системы радиовидения................................................................................................96

5.7 Полученные результаты..........................................................................................:.........................98

5.8 Поиск источников излучения............................................................................................................99

5.9 Проведение радиотехнического и экологического мониторинга..............................................100

5.10 Всепогодное видение.......................................................................................................................104

Заключение.............................................................................................................................107

Список использованных источников................................................................................111

Введение

В настоящее время системы радиометрии находят широкое применение во многих областях науки и техники - это сканирование открытой местности, поиск предметов закрытых оптическим камуфляжем, сканирование пассажиропотока в аэропортах, авто и железнодорожных вокзалах, метрополитене для обнаружения опасных предметов под одеждой.

Радиометрические системы или системы радиовидения - устройства, служащие для получения визуализированного изображения объектов с помощью радиоволн, для изучения внутреннего строения объектов, непрозрачных в оптическом диапазоне волн и наблюдения объектов, находящихся в оптически непрозрачной среде. В радиовидении обычно используют радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазонов, что позволяет различать на оптическом изображении достаточно мелкие детали структуры объекта. Основная задача радиометрии (радиовидения) — сбор информации об объекте и отображение её в видимом изображении [1].

Конечно, системы радиометрии, в результате своей работы, должны получать наиболее информативное изображение. В общем случае под информативным изображением мы понимаем изображение с максимально возможным пространственным и температурным разрешением. Увеличение разрешение достигается двумя путями - улучшением аппаратной части и применением методов математической обработки.

Возросшая потребность в радиометрических системах объясняется в том числе, появившимися возможностями создания компактных радиометрических приемников - радиометров, что обусловлено прогрессом в области полупроводниковых приборов миллиметрового диапазона [2]. Именно миллиметровая радиометрия интересна тем, что позволяет получать изображения предметов с разрешением практически близким к оптическому, и в то же время позволяет синтезировать изображения предметов за значительным слоем камуфляжа. Развитие технических средств маскировки в

диапазонах работы тепловизоров и металлодекторов так же способствует развитию систем радиовидения.

Из практического применения радиметрии можно выделить: обеспечение безопасности при воздушном движении [5, 6, 7], обнаружение потенциально опасных предметов под одеждой человека [12, 13, 14, 15], медицинское применение [16, 17], навигация в условиях недостаточной видимости, астрономия [18, 19], а так же экологический и радиомониторинг [8, 9].

Однако широкое распространение подобных систем невозможно без достижения ими параметров, сопоставимых с параметрами систем инфракрасного, оптического и рентгеновского диапазонов. Это необходимо для интуитивного визуального восприятия радиотепловых изображений предметов путем визуализации их формы и местоположения. Основными характеристиками систем радиовидения являются пространственное разрешение, быстродействие и чувствительность. Однако именно быстродействие является наиболее труднодостижимой характеристикой, так как оно непосредственно связано с принципом радиометрии. Физической величиной, характеризующей быстродействие является радиометрический выигрыш [3,4], который пропорционален корню квадратному изпостоянной времени интегрирования, то есть времени накопления сигнала. Для увеличения чувствительности в два раза, при прочих равных условиях, необходимо в 4 раза увеличивать время интегрирования. Типичное время интегрирования на сегодняшний момент - 0,1 с. Для получения 10 пикселей изображения необходимо время порядка 1 с, без учета времени механического позиционирования антенной системы. При этом для получения изображения 200x300 точек необходимо около двух часов. Что является абсолютно неприемлемым при сканировании не стационарных объектов. Варианты преодоления этого недостатка подробно рассмотрены в [22,23]. При сканировании же движущихся объектов и работе в режиме

реального времени необходимо быстродействие минимум порядка 2 - 4-х кадров в секунду.

При фиксированной чувствительности приёмника существуют другие способы увеличения скорости получения изображений. Возможно увеличение ширины входной полосы частот радиометра или применение охлаждения его входных каскадов для уменьшения уровня собственных шумов. Оправдывает себя использование многоканальных систем [42], когда различные радиометрические приемники одновременно сканируют различные области объекта. При использовании п радиометрических каналов время получения изображения уменьшается в п раз. В тоже время возникают трудности согласования каналов в многоканальных системах [36, 37].

Другой принципиальной проблемой радиорметрии является пространственное разрешение, которое характеризует минимальные размеры обнаруживаемого предмета. Пространственное разрешение непосредственно связано с угловым разрешением через расстояние до объекта сканирования. Угловое разрешение (Лф) ограничеваетсяРелеевским пределом [23]:

Аф ~ АЛ),

где X - длинна воны, О - апертура антенной системы. Повысить разрешение системы можно, изменяя X и Однако эти изменения, как правило, дорогостоящи, технически труднореализуемы и не могут превосходить разумных пределов.

Еще одним способом повышения разрешения является применение математической обработки к полученным данным. Цель такой обработки — компенсация искажений изображения, вызванных конечным угловым разрешением системы. Это реализуется путем математического решения обратной задачи восстановления исходного изображения после сканирования его антенной системой с определенной диаграммой направленности. Разрешение, получаемое после такой обработки, будем называть сверхразрешением. А алгоритмы и методы его получения - алгоритмами

сверхразрешения [25, 26]. Для максимально эффективного использования алгоритмов сверхразрешения необходимо знать, какие именно изменения вносит диаграмма направленности. В общем случае - система должна формировать радиоизображение точечного источника. При вычитании из полученного радиоизображения изображения точечного источника полученный результат и будет искомой диаграммой направленности [27, 28].

Безусловно, диаграмма направленности любой антенной системы вносит сильные искажения в получаемые радиоизображения. Именно по этому, знание ее параметров и формы исключительно важно для решения обратной задачи и применения в алгоритмах сверхразрешения [34, 35].

Диаграмму направленности антенной системы будем называть аппаратной функцией (ДФ) системы радиометрии. Таким образом, для создания и применения алгоритмов сверхразрешения необходимо знать аппаратную функцию конкретной системы с высокой точностью.

Системы радиометрии, в зависимости от решаемых задач, могут производить измерения на расстояниях от единиц метров до сотен метров и даже километров. При столь различных расстояниях сканируемые предметы могут оказаться в так называемых ближней или дальней зонах. По дальности действия системы радиометрии можно разделить на системы ближнего и дальнего действия. Как правило, наблюдение за местностью, построение радиоизображений зданий и поиск источников излучения производится системами дальнего действия. Обнаружение предметов под одеждой человека, определение их формы и пространственной ориентации производится системами ближнего действия.

Системы радиометрии могут производить построение радиотепловых изображений используя собственное излучение предметов, а могут создавать искусственную подсветку. Применение подсветки значительно увеличивает отношение сигнал/шум, что позволяет получать большее разрешение, однако это лишает систему скрытности и делает ее небезопасной при сканировании.

Системы, работающие в таком режиме будем называть активными.

10

Использование пассивного режима, без внешнего излучения, позволяет сделать систему не обнаруживаемой и абсолютно безопасной для сканируемых лиц и оператора [48].

В настоящей работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать систему ближней радиометрии с современными параметрами по быстродействию, пространственному и температурному разрешению для поиска предметов под одеждой человека. Разработать методику построения радиотепловых изображений в разрабатываемой системе. Разработать методики наиболее точного определения АФ систем радиометрии.Получитьрадиоизображения реальных предметов под одеждой человека выполненных из металла, керамики и пластика.

2. Разработать экспериментальный макет радиометрического сканера для проведения технического и экологичекогорадиомониторинга местности.Разработать методику поиска источников излучения и получения их радиоизображений. Получить радиоизображения источников излучения.

В процессе решения задач были созданы 2 действующие системы радиометрии, стенд по измерению АФ, кабина низкотемпературного подсвета и другие вспомогательные системы и механизмы. Разработаны методика юстировки ближней многоканальной системы, методика калибровки дальней системы и методика измерения аппаратной функции.

Научная