Способ картографирования с помощью синтезированной апертуры

 

Использование: в локации для получения картины сечения внутренних органов человека и картографических непрозрачных в оптическом диапазоне сред или объемов вещества для выявления их внутренней структуры. Сущность изобретения: способ картографирования заключается в том, что зондирование пространства осуществляют при относительном движении монохроматическим непрерывным сигналом, а разделение отраженного от объекта сигнала по К-дальности осуществляют за счет скользящей свертки принятого допплеровского сигала с К-опорными сигналами, представляющими собой зеркально перевернутые во времени сигналы, отраженные от точечных объектов с разных К-дальностей. Амплитуды сигналов, распределенных по К-дальности перекодируют в контрастные или цветовые сигналы и разворачивают в координатах удаления от траектории относительного движения и расстояния, пройденного по траектории. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к локации в ультразвуковом или радиодиапазоне, и может быть использовано для получения картины сечения внутренних органов человека с целью диагностики, а также для картографирования непрозрачных в оптическом диапазоне сред или объемов вещества, для выявления их внутренней и скрытой от глаз структуры.

В настоящее время широко известен метод картографирования земной поверхности с помощью синтезированной апертуры (А. П. Реутов, Б. А. Михайлов, Г. С. Кондратенков, Б. А. Бойко. Радиолокационные станции бокового обзора. М. Сов. радио, 1970; В. Н. Антипов, В. Т. Горяинов, И. Н. Кулик, и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. М. Сов. радио, 1988; патент США N 3392385, кл. 343-5).

Известный способ картографирования земной поверхности, применяемый в радиолокационных станциях (РЛС) бокового обзора, предусматривает излучение когерентного импульсного зондирующего сигнала, стробирование отраженного сигнала по времени, то есть распределение сигнала по каналам дальности, сжатие обрабатываемого сигнала (синтезирование апертуры) в каждом канале дальности, модуляция луча по яркости и развертку изображения в координатах удаления от проекции траектории на землю и расстояния по траектории.

Этот способ описан в книге А. П. Реутова, Б. А. Михайлова, Г. С. Кондратенкова, Б. В. Бойко. Радиолокационные станции бокового обзора. М. Сов. радио, 1970, с. 98 107, а цифровое устройство, реализующее известный метод картографирования, подробно описано в книге В. Н. Антипова, В. Г. Горяинова и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. М. Радио и связь, 1988, с. 61, рис. 28. Это устройство принято в качестве прототипа предлагаемого способа картографирования. Схема устройства приведена на фиг. 1, где обозначено: 1 приемник; 2 5 стробирующие каскады; 6 9 - аналого-цифровые преобразователи; 10 память; 11 блок быстрого преобразования Фурье (БПФ); 12 перемножитель отсчетов; 13 память с опорными коэффициентами функции; 14 блок обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ); 15 блок, вычисляющий модель комплексных отсчетов; 16 - цифровая схема индикации; 17 излучатель; 18 модулятор.

Устройство на фиг. 1, реализующее известный способ, работает следующим образом.

Принятый приемником 1 импульсный сигнал распределяется по каналам дальности с помощью стробирующих каскадов 2 5. Затем в каждом канале с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в 6 9 сигналы преобразуются в цифровые отсчеты, и выборка из N-отсчетов вводится в память 10. В каждом канале дальности блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 11 преобразует отсчеты сигнала в отсчеты спектра.

В перемножителе 12 происходит перемножение одноименных отсчетов входного спектра и коэффициентов опорной функции, поступающих с блока 13. Результат перемножения одноименных отсчетов подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье (ОБПФ) в блоке 14 и полученные комплексные отсчеты сигнала свертки берутся по модулю. Затем отсчеты поступают в цифровую систему индикации 16 (ЦСИ).

Известный способ, который реализован описанным устройством, предусматривает излучение когерентного зондирующего сигнала, выделение сигнала биений между зондирующим и отраженным сигналом (доплеровского сигнала) распределение сигнала биений по каналам дальности с помощью стробирования по времени, аналого-цифровое преобразование сигнала, свертку сигнала биений с опорным сигналом вида S(t) H(t) · exp (j·2·n·v_от·t/л·r) и преобразование сигнала свертки в изображение с помощью цифровой схемы индикации.

При этом свертка сигнала на каждой дальности предусматривает быстрое преобразование Фурье (БПФ) от выделенного сигнала биений, БПФ от опорного сигнала, перемножение результатов БПФ выделенного и опорного сигналов и обратное преобразование Фурье от результатов перемножения.

К недостаткам известного способа следует отнести то, что разрешение по дальности задается заранее длительностью зондирующего сигнала и не может быть изменено в процессе работы. Варьировать разрешением по дальности практически невозможно, потому что для этого потребуется перестройка модулятора и перестройка всего приемного тракта, так как он обычно проектируется согласованным с зондирующим сигналом.

Другим существенным недостатком является то, что удовлетворительное относительное разрешение на больших дальностях ΔR/R_max не удовлетворяет на малых дальностях ΔR/R_min, особенно когда R_min<ΔR, потому что ΔR постоянно на всех дальностях и определяется длительностью зондирующего импульса τ. и скоростью распространения зондирующей волны ΔR = c·τ, где с скорость распространения волны.

Еще одним существенным недостатком является то, что вблизи локатора имеется мертвая зона, обусловленная ослеплением локационного приемника в момент зондирования и конечного времени всего восстановления.

Кроме того, бесконечному уменьшению длительности зондирующих импульсов, для повышения разрешающей способности по дальности, препятствует падение энергетики зондирующего сигнала и расширение полосы приемного тракта вместе с ухудшением его чувствительности. В пределе длительность зондирующих импульсов не должна быть меньше, чем 200 периодов несущей частоты зондирующего сигнала. Это фактически ставит предел повышения разрешающей способности по дальности импульсного метода.

Цель изобретения повышение разрешающей способности по дальности в направлении удаления от траектории движения при глубинном проникающем картографировании на малых и сверхмалых дальностях. Высокое разрешение позволяет увеличивать изображение объекта и рассматривать его детали. Высокое разрешение по дальности на близком расстоянии, а также возможность управления этим разрешением позволяет использовать апертурный синтез для целей томографии внутренних органов человека.

Цель в предлагаемом способе достигается за счет использования свойства синтезированной апертуры фокусироваться на требуемую дальность и получать необходимое разрешение по дальности за счет управления размеров синтезированной апертуры и длинной волны, для чего в известном способе, предусматривающем излучение зондирующего сигнала выделение биений между зондирующим и отраженным сигналами, формирование опорного сигнала, дискретизацию сигнала биений и опорного сигнала с преобразованием к цифровому виду, распределение сигнала биений по К-каналам дальности.

Зондирование окружающего пространства производят непрерывным монохроматическим сигналом, а разделение сигнала биений осуществляют после дискретизации сигнала биений путем скользящей свертки сигнала биений с каждым из К-опорных сигналов одинаковой длительности: S₁=((AK₁/R⁴₁)·cos ((4·n/л)·R₁·(a₁/a_max)γ S₂=((AK₁/R⁴₂)·cos ((4·n/л)·R₂·(a₂/a_max)γ S_i=((AK₁/R⁴_i)·cos ((4·n/л)·R_i·(a_i/a_max)γ S_k=((AK₁/R⁴_k)·cos ((4·n/л)·R_k·(a_k/a_max)γ , где S₁1, S₂, S_i,S_k опорные сигналы для активного метода локации;
опорные сигналы для полуактивного метода локации;
a_max максимальное расстояние по перпендикуляру от траектории до картографируемых точек, т. е. максимальный промах;
a₁, a₂, a_i, a_k конкретные промахи следующие, с шагом Δa;
˙γ˙ показатель степени, выравнивающий амплитуды сигналов с разных дальностей для активного метода локации, играющий роль автоматической регулировки усиления;
Wβ˙ показатель степени, выравнивающий амплитуды сигналов с различных дальностей при полуактивном методе локации
текущее расстояние от приемника до объекта при их относительном движении;
I 1, 2, 3, N отсчеты опорного сигнала;
N 2^м число отсчетов опорного сигнала и БПФ;
м 1, 2, 3, степень двойки (задается экспериментатором);
DT (л/5) · v_oт интервал дискретизации по времени;
(ALN)_i=a_i/tgϕ_ср+(N/2)·DT отсчитываемое от промаха расстояние по траектории, с которого начинается синтезирование апертуры;
T_o DT · (N+1) длительность синтезирования апертуры во времени;
n 3,1415;
постоянный коэффициент;
v_от относительная скорость приемника и картографируемого объекта;
л длина волны;
ϕ_ср угол наклона середины диаграммы направленности антенны приемника и передатчика к траектории;
G_изл коэффициент направленного действия антенны;
б эффективная отражающая поверхность картографируемого объекта;
,
где G_изл коэффициент направленного действия излучающей антенны;
G_пр коэффициент направленного действия приемной антенны;
R_изл расстояние от картографируемого объекта до излучателя зондирующего сигнала
Полученные цифровые отсчеты амплитуды К сигналов скользящей свертки перекодируют в контрастные или цветовые символы и разворачивают все К-контрастных сигналов в порядке их нумерации в виде К-параллельных строк из N-контрастных или цветовых символов в координатах промаха и расстояния по траектории.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что:
1. Зондирование окружающего пространства осуществляется непрерывным монохромотическим сигналом.

2. Разделение сигнала биений по К-каналам дальности осуществляется путем скользящей свертки сигнала биений от картографируемого объекта с К-опорными сигналами, соответствующими сигналам биений от точечных отражателей, каждый из которых расположен на i-ом удалении от траектории движения приемника.

Отметим принципиальное отличие в формировании опорного сигнала в предлагаемом способе по сравнению с известным.

В известном способе используется сигнал вида
S(t) = H(t)·exp(j·2·n·v²_от·t²)/(л·r_o) ,,
в котором имеет место линейная аппроксимация закона изменения частоты,
где Ф = 2·n·v²_от·t²/(л·r_o) фаза опорного сигнала.

Это не трудно показать, если взять производную от фазы и получить частоту допплеровского сигнала
f(t) = dФ/dt = - (2·v²_от/л·r_o)·t, (2·v²_от/л·r_o) = Const
Из последнего выражения видно, что частота линейная функция времени (см. В. Н. Антипов, В. Г. Горяинов и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. М. Радио и связь, 1988, с. 13 15, рис. 1,6).

Линейная аппроксимация закона изменения частоты сигнала биений (частоты Доплера) при синтезировании апертуры допустима только при условии L<r (см. Антипов В. Н. и др. Радиолокационные станции. с. 11, формула 1.7), где L длина синтезированной апертуры; r_o расстояние до отраженного объекта.

На близких расстояниях это условие не выполняется и линейная аппроксимация закона изменения допплеровской частоты недопустима. Кроме того, сформированные опорные сигналы по известному способу позволяют синтезировать диаграмму направленности синтезированной антенны под прямым углом к апертуре, т. е. к траектории движения.

Опорные сигналы в предлагаемом способе позволяют синтезировать антенный луч под любым углом наклона к траектории.

3. Зондирование и прием осуществляют только в направлении секущей плоскости, проходящей через картографируемый объект и траекторию движения приемника.

Это позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого способа с другими известными решениями в этой области показывает, что вышеперечисленные отличительные признаки обеспечивают предлагаемому способу новое свойство способность фокусироваться синтезированной апертуре на конкретные дальности, за счет чего обеспечивается высокое разрешение по дальности.

Высокое разрешение по дальности за счет фокусировки синтезированной апертуры возможно лишь на малых дальностях при отношении длины синтезированной апертуры к дальности до картографируемого объекта от 1 до 100 и более. Это соотношение не выполняется в дальней радиолокации, поэтому фокусирующие свойства синтезированной апертуры (СА) не использовались никогда в дальней радиолокации. С ним же боролись, как с нежелательным явлением, выбирая такие режимы, где фокусировкой можно пренебречь.

Технические решения с отмеченными признаками, обеспечивающими описанное свойств, не обнаружены, поэтому предлагаемый способ можно считать соответствующим критерию изобретения "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1 8).

На фиг. 1 показано устройство, реализующее способ; на фиг. 2 схема бокового обзора земной поверхности; на фиг. 3 принцип развертки карты местности (а) на экране электронно-лучевой трубки; б) на фотопленке); на фиг. 4 кольцевая область разрешения системы ближней радиолокации (СБР) для непрерывного зондирующего сигнала с дисперсионным фильтром.

Использование дисперсионного фильтра, реализованного в виде скользящей свертки, позволяет осуществить синтезированные апертуры антенны с фокусировкой ее на нужную дальность, то есть с кольцевой областью разрешения (см. Кондратенков Г. С. Потехин В. А. и др. Радиолокационные станции обзора земли, с. 122, рис. 1.6).

Под системой ближней радиолокации (СБР) следует понимать в данном случае не самолет с установленной на борту РЛС, а ультрозвуковой излучатель с микрофоном или ультразвуковым преобразователем аккустической волны в электрические сигналы, которые двигаются относительно исследуемого объекта с постоянной скоростью v_от.

Если речь идет об ультразвуковом сканере для диагностики внутренних органов человека, то под СБР понимается ультразвуковой излучатель совместно с преобразователем акустической волны в электрические сигналы, движущиеся с постоянной скоростью по телу человека.

На фиг. 5 показан способ разбиения пространства на зоны разрешения вокруг СБР.

На фиг. 6 показано сканирование пространства с объектом движущейся СБР при помощи сформированных областей разрешения при изотропном излучении и приеме зондирующего сигнала.

На фиг. 7 показано сканирование пространства с объектом движущейся СБР с помощью сформированных областей разрешения при направленном излучении и приеме зондирующего сигнала.

На фиг. 8 показано развернутое изображение объекта в виде строк из контрастных символов.

На фиг. 9 показана функциональная схема, реализующая предлагаемый метод картографирования и получения изображения объекта, где обозначено: 1 - приемник; 2 память; 3 и 10 блоки БПФ; 5 блок ОБПФ; 6 блок, вычисляющий модуль комплексных отсчетов сигнала свертки; 11- блок с отсчетами опорного сигнала; 16 цифровая схема индикации; 17 излучатель; 18 -АЦП.

На фиг. 10 приведена блок-схема приемника, где обозначено: 1 микрофон или пьезопреобразователь акустической волны в электрические сигналы; 2 - преобразователь частоты, состоящий из нелинейного элемента; 3 фильтр допплеровских частот; 4 усилитель допплеровских частот; 5 объект исследования; 6 излучатель.

На фиг. 11 приведена блок-схема излучателя, где обозначено: 1 - преобразователь электрических сигналов в акустические колебания (пьезопреобразователь); 2 усилитель мощности ультразвуковых колебаний; 3 - предварительный усилитель ультразвуковых колебаний; 4 задающий генератор ультразвуковых колебаний.

Принципиальные или структурные схемы блоков 2, 3, 10, 5, 6, 11 и 18 (фиг. 9) не приводятся в материалах заявки, так как они широко известны и с их подборным описанием можно ознакомиться в литературе. Например, блоки 3, 10 БПФ и 5-ОБПФ, обозначенные на фиг. 9, подробно описаны в книге В. Н. Антипова, В. Г. Горяинова и др. "Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны", с. 203, рис. 6.13 структурная схема устройства, реализующего алгоритм "бабочка", которое может быть выполнено на микросхеме К1815 БФЗ. В этой же книге на с.204, рис. 6.14 приведена структурная схема специализированного процессора на элементах "бабочка", который реализует операцию БПФ и ОБПФ.

Кроме того, структурную схему (фиг. 9), состоящую из блоков 2, 3, 6, 10, 11 и 16 можно организовать программным путем на персональном компьютере типа IBM PS.

Из теории аппертурного синтеза известно, что область разрешения для сигнала без модуляции (зондирование монохроматическим сигналом) имеет вид кольца, симметричного относительно траектории движения приемника. Такая область разрешения позволяет организовать сканирование окружающего пространства не прибегая к модуляции зондирующего сигнала с очень высоким разpешением фиг. 6. При этом пространство вокруг приемника движущейся СБР разбивается на кольцевые области разрешения, как показано на фиг. 5. Для того, чтобы получить изображение объекта в плоскости картографирования фиг. 7, необходимо локализовать излучение и прием в плоскости картографирования. Это необходимо особенно при получении томограммы сечения внутренних органов человека.

Подробнее остановимся на техническом решении задачи получения картограммы сечения объектов на близком расстоянии.

Картографирование в радиодиапазоне осуществляется в два этапа. Первый этап состоит в получении сигнала биений между зондирующим и отраженными сигналами (допплеровского сигнала).

Технически допплеровский сигнал получается в приемнике СБР при смешивании зондирующего и отраженного сигналов на нелинейном элементе после фильтрации разностного сигнала биений.

Затем этот сигнал вводится в цифровую вычислительную машину (ЦВМ) для чего производится дискретизация допплеровского сигнала в соответствии с теоремой Котельникова и преобразование с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровые отсчеты.

Аналогично получается сигнал биений в ультразвуковом диапазоне при локации внутренних органов человека. Для этого приемником с излучателем ультразвуковых колебаний проводят с постоянной скоростью по поверхности тела человека над диагностируемыми органами и полученный сигнал биений регистрируют на магнитную ленту или непосредственно через АЦП вводят в память ЦВМ в виде цифровых отсчетов.

Второй этап состоит в том, что программным путем производится обработка введенного допплеровского сигнала и построение картограммы или томограммы сечения объекта.

Ниже приводится алгоритм обработки сигнала биений и построения картограммы сечения объектов или томограммы сечения внутренних органов для активного метода локации.

Исходными данными для программы являются длина волны зондирующего сигнала и относительная скорость движения v_от.

1. Задаются минимальным и максимальным промахами a_max и a_min и разрешением по промаху а.

2. Определяют необходимую длину синтезированной апертуры D (расстояние по траектории, на котором происходит синтезирование апертуры), обеспечивающей требуемое разрешение

3. Определяется число отсчетов сигнала на интервале синтезирования апертуры D
,
где DT л/5·v_от.

4. Выбирается окончательное число отсчетов в соответствии числом отсчетов БПФ.

N 2^м, где м 1,2,3,4,5. N^*<N

5. Определяется число промахов К (число строк развертки изображения)

6. Определяется начальное расстояние по траектории, с которого начинается синтезирование апертуры для каждого промаха

7. Определяется время синтезирования апертуры
T_o DT * (N+1)
8. Определяется коэффициент АК₁, учитывающий мощность зондирующего сигнала Р_изл, отражающие свойства объекта б, диаграммы приемной и передающей антенн G_пр, G_изл

9. Определяются отсчеты дальности для каждого из К опорных сигналов
,
где I 1, 2, 3, 4, 5, N
10. Каждая из К опорных сигналов определяется по формуле
S_i= (AK₁/R⁴_i)·cos((4·n)·R_i)·(a_i/amax)γ,
где γ коэффициент, выравнивающий амплитуды сигналов, пришедших с разных дальностей.

11. Берут N-первых отсчетов сигнала биений и производят см ним БПФ.

12. Производится N-отсчетов БПФ от опорного сигнала, в результате получают его спектр.

13. Перемножаются одноименные отсчеты спектров опорного сигнала и сигнала биений.

14. Производится обратное БПФ от результата перемножения отсчетов и получают свернутый сигнал состоящий из 2*N отсчетов.

Берут только N-ый отсчет полученного сигнала свертки.

15. Снова берется выборка из N-отсчетов сигнала биений, сдвигается на 1 или несколько отсчетов и повторяется свертка по пп. 11 -14 и вновь берется только N-ый отсчет из полученного сигнала свертки.

Таким образом из N-ых отсчетов каждой свертки образуются дискретные отсчеты сигнала скользящей свертки, то есть совокупность операций 11 15 называется скользящей сверткой.

16. Описанный процесс пп. 9 16 повторяется для всех К-опорных сигналов и получают К-сигналов скользящей свертки. Операция скользящей свертки подобно операции стробирования по времени (дальности) позволяет распределить принятый сигнал биений по различным дальностям (промахам).

17. Из всех К-полученных сигналов скользящей свертки находят отсчет с максимальным значением амплитуды.

18. Задаются уровнем от найденного значения 0,1 0,9 и находят минимальное значение амплитуды, соответствующее нижней границе контрастности
A_min A_max · (0,1 0,9),
где А амплитуда сигнала.

19. Задаются числом градаций контрастности L и производят разбиение интервала от A_max до A_min на L-уровней.

20. Производят сортировку отсчетов каждого из К-сигналов скользящей свертки по уровням контрастности L с присвоением каждому отсчету определенного контрастного символа или цвета в зависимости от уровня амплитуды. В результате происходит перекодировка отсчетов амплитуды сигналов скользящей свертки в контрастные символы или цвета для каждого К-го промаха. Операции 17 20 есть по существу одна операция перекодировки амплитуды сигналов в контрастные символы.

21. Разворачивают все К-сигналов в виде параллельных строк из контрастных символов и получают картину сечения объекта фиг. 7 или томограмму внутренних органов человека.

Тот же алгоритм сохраняется и при полуактивном методе локации. Небольшое отличие будет лишь в математической записи опорных сигналов
S_i= ((AK₂/R_i)·cos((2·n/л)·R_i)·(a_i/amax)^b,
где ;
где R_изл расстояние от подсчитывающего излучателя до картографируемого объекта;
β коэффициент, компенсирующий изменение амплитуды сигнала при различных промахах.

Устройство на фиг. 9, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Принятый приемником 1 непрерывный сигнал после смешивания его с зондирующим сигналом получателя 17 преобразуется в сигнал биений (допплеровский сигнал). Сигнал биений подвергается дискретизации и преобразованию из аналогового в цифровой с помощью АЦП 18. В блок памяти 2 засылаются первые N-отсчетов и с помощью блока БПФ 3 преобразуются в 2·N-отсчетов спектра. Далее распределение сигнала биений по каналам дальности осуществляется с помощью скользящей свертки, т. е. благодаря умножения в блоке 4 отсчетов спектра сигнала биений на спектральные коэффициенты опорного сигнала и ОБПФ в блоке 5. Спектральные коэффициенты опорного сигнала получаются в блоках 10 и 11. В блоке 11 формируются отсчеты опорного сигнала по заранее предусмотренному алгоритму в соответствии с математической записью, приведенной в формуле изобретения, а в блоке 10 эти отсчеты преобразуются в спектральные коэффициенты с помощью БПФ.

Комплексные отсчеты свертки в блоке 6 преобразуются в действительные отсчеты, то есть определяется модуль комплексных отсчетов.

Блок 16 при построении изображения использует только N-ые отсчеты свертки. Затем в память 2 заносится повторно выборка входного сигнала из N-отсчетов со сдвигом на 1 или несколько отсчетов и производится свертка сдвинутого сигнала в блоках 3, 4, 5, 6, 10 и 11 и вновь в 16-ом блоке выбирается только N-ый отсчет для построения изображения.

В результате для построения изображения в 16-ом блоке образуется сигнал скользящей свертки, состоящий из N-ых отсчетов сверток. Далее происходит перекодировка отсчетов амплитуды сигналов скользящей свертки в контрастные или цветовые символы и печатающее устройство на движущейся бумаге производит печать по строкам перекодированных сигналов. В результате разворачивается картограмма исследуемого объекта.

В основе картографирования по предлагаемому способу лежит свойство синтезированной апертуры фокусироваться на определенную дальность. Предполагается использовать свойство синтезированной апертуры разрешать предметы на разной удаленности от траектории движения приемника (см. Караваев В. В. Сазонов В. В. Основы синтезированных антенн. М. Сов. радио, 1974, с. 14, 2-й абзац). На с. 15 (1-й абзац) говорится, что в дальней радиолокации разрешение по дальности с помощью апертурного синтеза реализовать практически невозможно из-за большого отношения R_o/D, где R_o дальность до цели; D длина участка траектории, на котором осуществляется синтезирование апертуры.

В связи с этим прибегают к импульсной модуляции зондирующего сигнала для создания возможности разрешения по дальности.

В ближней радиолокации отношение R_o/D мало и поэтому ограничения на разрешение по дальности с помощью апертурного синтеза не существуют, и можно обойтись без применения импульсной модуляции зондирующего сигнала, т. е. для зондирования пригоден непрерывный монохроматический сигнал.

Проиллюстрируем преимущества в разрешающей способности по дальности предлагаемого метода по сравнению с известным импульсным методом.

Зададимся длиной волны л 3 см. Тогда достижимое разрешение по дальности DR импульсного метода с учетом того, что длительность зондирующего импульса должна содержать не менее 200 периодов несущей частоты, составит
R = c·τ = c·200·T_нес·200·л = 6 м,,
где Т_нес период несущей частоты зондирующего сигнала.

Для разрешающей способности по дальности, получаемой с помощью синтезированной апертуры, будем иметь
ΔR = 0,8·л·R²_o/D²
(см. Караваев В. В. Сазонов В. В. Основы теории синтезированных антенн, с. 55, формула 2.42), где D v_oт*Т путь по траектории, пройденный приемником за время Т синтезирования апертуры, т. е. за время наблюдения допплеровского сигнала. Тогда при R_o<= 50 м, D 25 м, л 3 см
ΔR = 0,8·л·(R²_o/D²)=0,8·3·(50/25)² = 9,6 см,,
а при
R_o= 1 м. ΔR =0,8·3·(1/25)² = 4·10^-3 см
Такое разрешение по дальности не достижимо с помощью импульсного зондирующего сигнала.

Возьмем формулу для разрешающей способности по дальности при апертурном синтезе
ΔR = 0,8·л·(R_o/D)².
Перейдем к обозначениям, используемым в материалах заявки
Δa = 0,8·л·(a_i/D)²,,
-где D длина синтезированной апертуры антенны.

Из формулы видно, что для того, чтобы разрешение Δa оставалось одинаковым при любых дальностях а, необходимо поддерживать постоянным отношение a_i/D.

Для этого необходимо, чтобы D изменялось пропорционально а_i, т. е. преобразовав последнее выражение, получим

Поскольку длина синтезированной апертуры D_i определяется числом отсчетов опорного сигнала, то определим необходимое число отсчетов N_i, обеспечивающих эту длину
,
где DT л/5 · v_от
Таким образом, если необходимо иметь постоянное разрешение Δa на всех удалениях a_i, то следует пропорционально a_i увеличивать длину синтезированной апертуры согласно выражения
,
а число отсчетов БПФ нужно выбирать в зависимости от D_i согласно выражения

Так как все алгоритмы БПФ работают с числом отсчетов N=2^м, т. е. отсутствуют алгоритмы БПФ на произвольное число отсчетов, то следует брать число отсчетов БПФ с запасом N_бпф > N_i, располагая выборку из отсчетов сигнала посередине выборки отсчетов БПФ, обнуляя лишние отсчеты M_бпф на концах.

Использование новых операций, в частности зондирование непрерывным монохроматическим сигналом, распределение по дальности допплеровского сигнала с помощью скользящей свертки, перекодировка сигналов скользящей свертки в контрастные символы и их развертка в координатах промаха и расстояния по траектории, а также направленное зондирование и прием в плоскости, проходящей через картографируемый объект и траекторию движения приемника, позволяет повысить разрешающую способность при картографировании на малых и сверх малых дальностях, а также при снятии томограммы внутренних органов человека.

Более детальное картографирование с высоким разрешением отдельных элементов необходимо для лучшего распознавания объектов и более точной диагностики по построенной томограмме.

Кроме того, упрощаются приемо-передающие блоки, потому что становятся ненужными модуляторы и сложные широкополосные приемники. 2 4 6 8

Формула изобретения

1. Способ картографирования с помощью синтезированной апертуры, заключающийся в излучении зондирующего сигнала, приеме отраженного сигнала, выделении сигнала биений между зондирующим и отраженным сигналами, формировании опорного сигнала, распределении сигнала биений по К дальностям, отличающийся тем, что зондирование производят непрерывным монохроматическим сигналом, распределение сигнала биений по К дальностям осуществляют путем скользящей свертки сигнала биений с каждым из К сформированных опорных сигналов, для чего над N первыми цифровыми отсчетами дискретного сигнала биений производят быстрое преобразование Фурье (БПФ), определяют цифровые отсчеты для каждого i-го из К опорных сигналов по формуле
S_i= (AK₁/R⁴_i)·cos(4·π·R_i/λ)·(a_i/a_max)²,
где i 1, 2, 3, 4, 5, К, К число дальностей


i 1, 2, 3, 4, 5, N;
1 номер отсчета опорного сигнала;
N число отсчетов опорного сигнала;
a_i конкретное удаление от траектории движения приемника;
DT интервал дискретизации по времени
(ALN)_i= a_i/tgϕ_cp+(N/2)·DT
начальное расстояние синтезирования апертуры антенны;
T0 DT · (N + 1) время синтезирования апертуры;
λ длина волны;
v_cp средний угол диаграммы направленности передающей и приемной антенн;
G_пр, G_изл коэффициенты направленного действия приемной и излучающей антенн;
δ эффективная отражающая поверхность картографируемого объекта;
P_изл излучаемая мощность,
затем осуществляют БПФ каждого i-го опорного сигнала, перемножают одноименные отсчеты спектров опорного сигнала и сигнала биений, осуществляют обратное БПФ результата перемножения, из полученного свернутого сигнала, состоящего из 2N отсчетов, выбирают только N-й отсчет, новую выборку из N отсчетов сигнала биений сдвигают на один отсчет, повторяют описанные операции свертки и выбирают только N-й отсчет, далее из N-х отсчетов каждой свертки образуют отсчеты сигнала скользящей свертки, процесс получения скользящей свертки повторяют для всех К опорных сигналов, после чего К полученных дискретных сигналов скользящей свертки, каждый из которых соответствует конкретному удалению от траектории движения приемника, преобразуют в изображение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зондирование и прием осуществляют в направлении секущей плоскости, проходящей через картографируемый объект и траекторию движения приемника.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что число отсчетов N_i опорного сигнала на каждой дальности берут пропорционально конкретному удалению от траектории a_i по формуле

при этом число отсчетов БПФ N_БПФ должно быть больше числа отсчетов N_i опорного сигнала, для чего располагают выборку из отсчетов опорного сигнала посередине выборки отсчетов БПФ, обнуляя лишние отсчеты N_БПФ на концах выборки сигнала биений, а начальное расстояние синтезирования апертуры антенны берут равным
(ALN)_i= a_i/tgϕ_cp+(N_i·DT/2)

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11