Способ получения радиоизображений протяженных объектов

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для мониторинга протяженных сред и объектов. Достигаемый технический результат - повышение скорости мониторинга протяженных сред и объектов, а также уменьшение габаритов фокусирующей системы. Способ основан на излучении зондирующих сигналов и последующем приеме отраженных сигналов с помощью зонной пластинки, сфокусированной на точку объекта, положение которой в продольном направлении зависит от частоты, при этом для излучения зондирующих сигналов используют передающую антенну, размещенную на оси системы в пределах непрозрачной для радиоволн первой зоны Френеля осесимметричной зонной пластинки; ширина луча передающей антенны соответствует угловому сектору зоны мониторинга, а ширина спектра излучаемого ею сигнала соответствует глубине этой зоны, причем для одновременного приема сигналов, отраженных от точек протяженного объекта, расположенных на одинаковой дальности, применяют матрицу приемных элементов, помещенную на фокальной поверхности осесимметричной зонной пластинки, после чего используют принятые элементами матрицы приемных элементов сигналы определенной частоты для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению. 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области радиолокации, а конкретно к системам ближней локации и может быть использовано для мониторинга протяженных сред и объектов.

В последние десятилетия в разных странах получило бурное развитие одно из относительно новых направлений радиолокации - получение детальных радиоизображений протяженных объектов. В зависимости от решаемых задач применяют различные способы получения радиоизображений объектов. Для целей навигации, картографирования местности и ряда других применений используют способы активной радиолокации, основанные на синтезировании искусственной апертуры антенны за счет перемещения по известной траектории радиолокатора или объекта наблюдения [1 - Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.]. Для целей мониторинга и диагностики сред и объектов, а также в ряде других случаев применяют как пассивные способы получения радиоизображений, основанные на приеме собственного радиотеплового излучения объектов, так и активные способы [2 - Гринев А.Ю., Темченко B.C., Багно Д.В. Радары подповерхностного зондирования. Мониторинг и диагностика сред и объектов. - М.: Радиотехника, 2013. - 392 с.]. Последние также могут использовать принцип синтезирования апертуры либо строиться по принципу пространственно и частотно многоканальных радиолокационных систем типа MIMO (Multiple Input - Multiple Output) [3 - Чапурский В.В. Получение радиоголографических изображений объектов на основе разреженных решеток типа MIMO с одночастотным и многочастотным излучением / Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2011. №4, с.72-91].

Общим недостатком известных активных способов получения радиоизображений объектов является то, что при повышении разрешения в поперечных относительно оси системы направлениях (что достигается увеличением апертуры антенной системы) происходит уменьшение глубины резкости.

Известен активный способ получения радиоизображений объектов [4 - Минин О.В. Особенности применения дифракционной оптики миллиметровых и субмиллиметровых волн в системах активного радиовидения / «Компьютерная оптика», 2002, №24, стр.121-125], в котором упомянутый недостаток известных способов компенсируется за счет возможности регулирования дальности до области фокусировки. Способ основан на излучении зондирующих сигналов с переменной частотой через первую внеосевую зонную пластинку Френеля¹ (Направление луча, прошедшего внеосевую пластинку, не совпадает с направлением падающего луча), фокусирующую излучение в точке на объекте, положение которой в продольном направлении зависит от частоты, приеме отраженного сигнала с помощью второй внеосевой зонной пластинки, причем оси пластинок пересекаются в точке на объекте, а сканирование по строкам и кадрам осуществляют за счет перемещения объекта либо путем механического поворота зонных пластин вместе с передатчиком и приемником. Данный способ является ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого способа.

С точки зрения мониторинга протяженных объектов применение в качестве фокусирующей системы внеосевых пластинок Френеля является недостатком известного способа, так как исключает возможность применения матрицы приемных элементов для одновременного приема сигналов, отраженных от точек, расположенных на одинаковой дальности, но под разными ракурсами. Это приводит к необходимости механического поворота по двум угловым координатам зонных пластин вместе с передатчиком и приемником. Этот недостаток ограничивает скорость мониторинга протяженных объектов. Поскольку для получения высокого разрешения габариты зонных пластинок оказываются значительными, использование в прототипе двух внеосевых зонных пластинок обуславливает большие габариты фокусирующей системы.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение указанного недостатка известного способа, то есть отказ от применения внеосевых пластинок Френеля и связанной с этим необходимости механических перемещений фокусирующей системы по двум угловым координатам, и тем самым повышение скорости мониторинга протяженных сред и объектов, а также уменьшение габаритов фокусирующей системы.

Для решения указанной задачи предлагается способ получения радиоизображений протяженных объектов, основанный на излучении зондирующих сигналов и последующем приеме отраженных сигналов с помощью зонной пластинки, сфокусированной на точку объекта, положение которой в продольном направлении зависит от частоты.

Согласно изобретению для излучения зондирующих сигналов используют передающую антенну, размещенную на оси системы в пределах непрозрачной для радиоволн первой зоны Френеля осесимметричной зонной пластинки; ширина луча передающей антенны соответствует угловому сектору зоны мониторинга, а ширина спектра излучаемого ею сигнала соответствует глубине этой зоны, причем для одновременного приема сигналов, отраженных от точек протяженного объекта, расположенных на одинаковой дальности, применяют матрицу приемных элементов, помещенную на фокальной поверхности осесимметричной зонной пластинки, после чего используют принятые элементами матрицы сигналы определенной частоты для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа из литературы не известны, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фигуре 1 изображена структурная схема одного из вариантов установки, функционирующей по предлагаемому способу.

На фигурах 2-5 приведены расчетные результаты, иллюстрирующие возможности предложенного способа.

На фигуре 2 приведены продольные сечения областей фокусировки для различных частот при увеличении излучаемой мощности с ростом частоты.

На фигуре 3 приведены продольные сечения областей фокусировки для различных частот при постоянной излучаемой мощности.

На фигуре 4 приведены поперечные сечения в области расчетного второго фокуса областей фокусировки для центральной и крайних частот при расположении элемента приемной матрицы в первом фокусе.

На фигуре 5 представлено поперечное сечение в области расчетного второго фокуса фокального пятна на средней частоте, соответствующего поперечному смещению элемента приемной матрицы на десять сантиметров.

Рассмотрим существо предлагаемого способа. Как и в прототипе [4], излучают зондирующие сигналы, после чего принимают отраженные сигналы с помощью зонной пластинки, сфокусированной на точку объекта, положение которой в продольном направлении зависит от частоты.

Однако, в отличие от прототипа, для излучения зондирующего сигнала используют передающую антенну, размещенную на оси системы в пределах непрозрачной для радиоволн первой зоны Френеля осесимметричной зонной пластинки; ширина луча передающей антенны соответствует угловому сектору зоны мониторинга, а ширина спектра излучаемого ею сигнала соответствует глубине этой зоны, причем для одновременного приема сигналов, отраженных от точек протяженного объекта, расположенных на одинаковой дальности, применяют матрицу приемных элементов, помещенную на фокальной поверхности осесимметричной зонной пластинки, после чего используют принятые элементами матрицы сигналы определенной частоты для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению.

При реализации предлагаемого способа выполняются следующие действия:

- излучают зондирующий сигнал, в котором одновременно либо последовательно во времени присутствуют составляющие спектра, обеспечивающие требуемую глубину области мониторинга, передающей антенной, размещенной на оси системы в пределах непрозрачной для радиоволн первой зоны Френеля осесимметричной зонной пластинки;

- принимают сигналы, отраженные от неоднородностей области мониторинга, находящихся на одинаковой дальности, матрицей приемных элементов, помещенных на фокальной поверхности осесимметричной зонной пластинки;

- используют принятые элементами матрицы приемных элементов сигналы определенной частоты для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что в заявленном способе изменены режимы выполнения двух операций:

- для излучения зондирующего сигнала используют передающую антенну, размещенную на оси системы в пределах непрозрачной для радиоволн первой зоны Френеля осесимметричной зонной пластинки; ширина луча антенны соответствует угловому сектору зоны мониторинга, а ширина спектра излучаемого ею сигнала соответствует глубине этой зоны;

- для одновременного приема сигналов, отраженных от точек протяженного объекта, расположенных на одинаковой дальности, применяют матрицу приемных элементов, помещенную на фокальной поверхности осесимметричной зонной пластинки,

- и введена одна новая операция:

- используют принятые элементами матрицы приемных элементов сигналы определенной частоты для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению.

Рассмотрим предлагаемый способ получения радиоизображений протяженных объектов на примере установки, приведенной на фигуре 1. Осесимметричная зонная пластинка 1 на средней частоте имеет фокусы F₁ и F_2,0. Первая зона Френеля (на фигуре 1 не показана) затенена (например, покрыта поглотителем). На оси осесимметричной зонной пластинки 1 установлена передающая антенна 2, ширина луча которой соответствует угловому сектору зоны мониторинга. На вход передающей антенны 2 от синтезатора частот 3 поступают одновременно или последовательно во времени несколько монохроматических сигналов. В плоскости, проходящей через первый фокус (F₁) осесимметричной зонной пластинки 1, помещена двухмерная матрица приемных элементов 4, каждый из которых содержит антенну 5 и многоканальный либо перестраиваемый по частоте приемник 6. При фиксированном значении F₁ одна и та же осесимметричная зонная пластинка 1 фокусирует сигналы разных частот, отраженные от объектов, расположенных на разном удалении: от F_2,min (для минимальной частоты) до F_2,max (для максимальной частоты). То есть каждой составляющей спектра сигнала синтезатора частот 3 соответствует свой второй фокус. На входы приемников 6, помимо сигналов, принятых антеннами 5, поступают от синтезатора частот 3 вспомогательные сигналы «а». С выходов 7 приемников 6 сигналы разных частот поступают на входы устройства обработки и анализа информации 8. Сюда же поступают сигналы от синтезатора частот 3. Для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению, устройство обработки и анализа информации 8 использует принятые элементами двухмерной матрицы 4 сигналы определенной частоты.

На фигурах 2-5 приведены расчетные результаты для осесимметричной зонной пластинки, у которой первый фокус отстоит на расстояние 1 м, а второй - на 5 м. Число зон N равно 101. При длине волны λ равной 1 см радиус первой зоны 9 см, а радиус сто первой зоны 99 см. На фигуре 2 приведены продольные сечения областей фокусировки на пяти длинах волн, отличающихся друг от друга на 2%. На оси абсцисс отложено расстояние от зонной пластинки в сантиметрах. В таблице 1 представлена информация о длине волны и соответствующих ей положении по продольной координате максимума фокального объема (l_m, что то же самое второй фокус на m-й частоте F_2,m) и его глубине (Δl_m).

Заметим, что для удобства сравнения кривых, соответствующих разным длинам волн, было принято, что излучаемая мощность изменяется пропорционально изменению квадрата расстояния (l_m/l₅)². В этом случае обеспечивается уровень пересечения (при этом, как принято считать в антенной технике и в технике обработки изображений, выполняется условие ортогональности) примерно -3.9 дБ. Если же на разных частотах излучать одну и ту же мощность, то продольные сечения областей фокусировки приобретают вид, приведенный на фигуре 3. Штриховой линией на фигуре 3 обозначена кривая, соответствующая изменению квадрата расстояния.

Из фигур 2, 3 и таблицы 1 видно, что общая протяженность контролируемой на пяти частотах зоны составляет примерно 2.9 м.

Анализ фигур 2, 3 и таблицы 1 позволяет сделать следующие выводы. С увеличением длины волны относительно той, на которой велся расчет зон, центр фокального пятна смещается по направлению к линзе. Это обусловлено тем обстоятельством, что разность хода лучей, один из которых проходит от границы зоны до соответствующего второго фокуса, а второй - по оси, увеличивается как раз при приближении к линзе. При этом глубина фокального пятна Δl_m уменьшается в соответствии с уменьшением расстояния до линзы.

На фигуре 4 приведены поперечные сечения в области второго фокуса фокальных объемов на центральной (m=3) и двух крайних (m=1 и m=5) частотах, отстоящих от центральной на ±4%. Ширина пятна на центральной частоте на уровне -3.9 дБ при работе всех зон (пунктир) составила 3.2 см, уровень боковых лепестков -24.7 дБ. При затенении первой зоны (непрерывная кривая) ширина пятна практически не меняется, а уровень боковых лепестков возрастает до -22.8 дБ. Снижение интенсивности поля в максимуме пятна при этом составляет 0.13 дБ. Низкий уровень в области второго фокуса фокальных пятен, соответствующих крайним частотам, является следствием их ортогональности, демонстрируемой на фигурах 2 и 3, максимуму одного пятна соответствуют минимумы других.

На фигуре 5 представлено поперечное сечение в области расчетного второго фокуса фокального обема на средней частоте, соответствующего поперечному смещению относительно первого фокуса на десять сантиметров элемента двухмерной матрицы приемных элементов 4. Очевидно, что в данном случае максимум фокального пятна смещается на сорок пять сантиметров, что свидетельствует о возможности размещения в первом фокусе осесимметричной зонной пластинки 1 двухмерной матрицы приемных элементов 4. При столь значительном смещении приемного элемента ширина пятна несколько увеличивается (до 6 см), а уровень боковых лепестков возрастает до -11 дБ.

Таким образом, в результате изменения режима двух операций:

- для излучения зондирующего сигнала используют передающую антенну, размещенную на оси системы в пределах непрозрачной для радиоволн первой зоны Френеля осесимметричной зонной пластинки; ширина луча передающей антенны соответствует угловому сектору зоны мониторинга, а ширина спектра излучаемого ею сигнала соответствует глубине этой зоны;

- для одновременного приема сигналов, отраженных от точек протяженного объекта, расположенных на одинаковой дальности, применяют матрицу приемных элементов, помещенную на фокальной поверхности осесимметричной зонной пластинки,

- и ввода одной новой операции:

- используют принятые элементами матрицы приемных элементов сигналы определенной частоты для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению,

- достигается следующий технический результат:

обеспечивается значительная глубина резкости при высоком поперечном разрешении без применения внеосевых пластинок Френеля и связанной с этим необходимости механических перемещений фокусирующей системы по двум угловым координатам, и тем самым повышается скорость мониторинга протяженных сред и объектов, а также уменьшаются габариты фокусирующей системы.

Способ получения радиоизображений протяженных объектов, основанный на излучении зондирующих сигналов и последующем приеме отраженных сигналов с помощью зонной пластинки, сфокусированной на точку объекта, положение которой в продольном направлении зависит от частоты, отличающийся тем, что для излучения зондирующих сигналов используют передающую антенну, размещенную на оси системы в пределах непрозрачной для радиоволн первой зоны Френеля осесимметричной зонной пластинки; ширина луча передающей антенны соответствует угловому сектору зоны мониторинга, а ширина спектра излучаемого ею сигнала соответствует глубине этой зоны, причем для одновременного приема сигналов, отраженных от точек протяженного объекта, расположенных на одинаковой дальности, применяют матрицу приемных элементов, помещенную на фокальной поверхности осесимметричной зонной пластинки, после чего используют принятые элементами матрицы приемных элементов сигналы определенной частоты для построения картины сцены, соответствующей конкретному по дальности сечению.