Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема обнаружения, идентификации и измерения иарамеїров движущихся объектов, скрьпых непрозрачными для втуалыгого наблюдения преградами, на фоне отражений от окружающих предметов и шумов возникает при разработке специальных средств в интересах проведения антитеррористических операций Если объект неремешаеіся досіаючно бьісіро, ю есіь донлеровское смещение часюїьі несущего колебания составляет сотші герц или килогерцы, то задача его ндешифнкации может биіь решена меюдами доіілероиской селекции Однако, коїла спекіральная іиошосіь колебаний, обусловленных движением обьекга, находится вблизи нулевых частот (при характерных для рассмаїрииаемой задачи значениях скорое іей порядка 0,01 1 м'с), іде наблюдаеіся значительный уровень низкочастотных шумов аппаратуры, а интенсивность полезного сигнала определяется положением объекта относительно антенны, однозначная идентификация объектов становится проблематичной
Различные подходы и устройства предложены для решения проблемы много элементный сверхширокополосныи (СШП) радар, работающий с последовательностью коротких импульсов, двухпозиционная когерентная система с вычислением взаимнокорреляционнои функции, одноканальний СШП радар, радар с непрерывным излучением широкополосный шумовой радар дециметрового диапазона волн В настоящее время ряд зарубежных фирм - Time Domain (США), Cambridge Consultants (Великобритания) и др ведут разработки так называемых TWS радаров (Thiough-Wall Sensing Radars), способных видеть сквозь стены зданий и завалы DARPA объявлен конкурс на выбор фирмы подрядчика по созданию технологии подобного усіройства как индивидуатьного технического средства для оснащения солдат-пехотинцев
В части разработки принципов и технологии создания TWS радаров в пашей стране имееіся отставание, несмотря на ряд ведущихся работ но родственной тематике (ЦНИРТИ, ЦНИИРЭС, фирма «Плис ЛТД», ЗАО «Средства спасения») Отечественные разрабоїки не иснользуюі перспективных и многообещающих технологий СШП короткоимпульсного (КИ) зондирования с применением просгрансівенно-мноіоканальньїх датчиков на основе антенных решеток, которые позволяют формировать двумерные радиоизображения зондируемой радиосцены
Недостаточно обоснованы процедуры обнаружения движущихся обьекгов на фоне мешающих оіражеїшй оі неподвижных обьекіов (модели ожидаемого припятої о сигнала, корреляционной матрицы помех и шумов приємною усгройсіва) Не рассмотрены структурные схемы устройств для высокоскоростных объектов (1м/с> v, >015м/с) и для ошосшелыю малоскоросіньїх целей (і;<0І5м'с) при использовании СШП короткоимпульсных зондирующих сигналов
Учитывая, что такие приборы используются в нештатных ситуациях, усовершенствования аппаратных технологий должны способствовать созданию портативных устройств, обладающих малым весом и іабаритами, зрі околичным дизайном, малым энерюиотреблением, легкостью в монгаже и управлении при оперативном обнаружении подвижных объектов
В С00ІЯЄ1СІВІШ с вышесказанным проблема обнаружения, идентификации и измерения параметров движущихся объектов, скрытых непрозрачными для визуальною наблюдения преградами, на фоне отражений от окружающих предметов и шумов является актуальной.
Целью работы яв тяется повышение информативности и досіоверіюсіи обнаружения и ишериреіации подвижных обьекіов за оптически непрозрачными преградами, реализуемое с помощью
многоканального измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) с СШП КИ сш ладами
Для достижения поставленной цели е работе решены следующие основные задачи:
Разрабоїана сгрумура нроіраммішіо комплекса и меюдика, позволяющая обнаружить подвижные объекты за оптически непрозрачными преградами, включающая многоканальный сбор информации при зон даровании радиосцепы СШП КИ сигналами, режекциго откликов от неподвижных объектов, выявление интерференционных фашомов формирование радиоизображеиня (РИ) области для построения карты движения объектов
Разработан и проведено численное моделирование модифицированного алгоритма дальностной миграции (АДМ), позволяющею формнроваїь устойчивые 2D н 3D РИ обьектов ?а оптически непрозрачными преградами по результатам зондирования и миоюканалыюй реіисірации СШП КИ сш налов с «классической» разрешающей способное і ью
Предложен алюритм ус [ранения фоновых мешающих оіражений от неподвижных объектов по результатам измерений пространственно-временных выборок рассеянною злекіромаїнипшіо поля оі исследуемой области, учитывающий модели ожидаемого принятого сигнала, корреляционной маїрииьі помех и шумов приємною усіройства
Разработаны соответствующие структурные схемы устройств для выделения обьекюи движущимися с равными скоростями, при их зондировании СШП К И сигналами для высокоскоростных объектов (1м/с> v, >0 15 ч/с) и для относительно малоскоростных целей (vr < 0 15 м/с)
Предложены апоритмы, основанные на выделении далыюешых областей локализации объектов, предположении о большой диэлектрической проницаемости подвижных объекюв и последующем
моделировании рассеянных полей для проверки различных гипотез, позволяющие идентифицировать интерференционные фашомы, обусловленные рассеянными полями близко расположенных объектов
Проведено численное моделирование всех этапов разрабоїанной методики обнаружения подвижных объектов за оптически непрозрачными преї радами, включающей мноюканальный сбор информации при зондировании радиосцены СШІІ КИ сигналами, режекцию откликов от неподвижных объектов, выявление интерференционных фантомов, формирование РИ области для построения карты движения объектов
Проведено экснеримешалыюе исследование макета ИВК с СШП КИ сигналами (z-„»l не) и числом имитируемых каналов п = 21, пошолишиее обнаружить подвижные обьеыы за оптически непрозрачными лреірадами (иена толщиной 4,,,=25 см, ,,,=3 5) па
рассіояшш Л„б[ім 2 5м] и подтвердившее эффекшвпоегь предложенных технических решении и алгоритмов
Методы исследования:
При решении поставленных задач использовались метод конечных разностей во временной области для нахождения полей рассеяния, методы и алюршмы цифровой обрабоїки сшналов дія селекции движущихся целей на основе многоканального обнаружения сигналов на фоне произвольных гауссовекпх помех с различными схемами весовой обработки, метод формирования радиоизображений на основе алгоритма далыюстной миграции, математического моделирования и физического эксперимента
Научная новизна:
1 Разработаны методика н алгоритмы обнаружения, идентификации и измерения параметров движущихся объектов, скрытых непрозрачными
для визуального наблюдения преградами, включающие многоканальный сбор информации при зондировании радиоспены Технические решения многоканального СІШІ КИ ИВК), формирование радиолокационного изображения обласні, режекцию оікликов оі неподвижных обьекюв, подавление ннгерференционных фантомов (моделирование прямой задачи рассеяния), нос іроение карім движения
Разработан модифицированный ЛДМ, позволяющий формировать устойчивые 2D и 3D РИ объектов с «классической» разрешающей способностью за оптически непрозрачными преградами по результатам зондирования и мної оканалмюй реінсірации СШГТ КИ сш налов
Предложен алгоритм устранения фоновых мешающих отражении 01 неподвижных обьекюв по резульїаіам измерений нросірансівепно-времешшх выборок рассеянного электромагнитного ноля от исследуемой области, учитывающий модели ожидаемого принятого сигнала, корреляционной матрицы помех и шумов приемного устронства Разработаны соответствующие структурные схемы устройств для выделения обьекюв, движущимися с разными скоростями, при их зондировании СШП КИ сигналами для высокоскоростных объектов (1 м'с ,> v, > 0 15 м/с) и для относительно малоскоросшых целей (vr s 0 15 м/с)
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что
разработанные алгоритмы и методика, включающая многоканальный сбор
информации, режекцию откликов от неподвижных объектов,
идентификацию интерференционных фантомов, формирование РИ области
для нос і роения каріьї движения объектов, могу г составить основу
программного комплекса дія многоканального ИВК с СШП КИ сигналами
цля обнаружения движущихся объектов за оптически непрозрачными
претрадами Проведенные исследования позволяю! сформировать
технический облик многоканального ИВК с СШП КИ сигналами, а также
задай, іехішческие требования к нроїраммиому и аппарашому комплексу
Реализация и внедрение результатов работы:
Поставленные в диссертации задачи решались в ходе выполнения ряда проектов НИР «Водолей Э-1» госконтракт № 05/243 от 21 10 05 ВЧ 43753, грант РФФИ 06-08-08020офи Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в ООО «ЦНТИ Элерон» при выполнении Н11ЭР «Импульс» по теме «Исследования и разработка технологий сверхширокополосной радиолокации»
Достоверность полученных результатов обуславливался корректностью исходных положений и преобразований, использованием апробированною элекгродинамическою ашіараіа при нахождении рассеянных электро\ш!ншны\ полей методом конечных разностей во временной обласіи, сопосіавлением радиопзображений, полученных различными методами, близостью результатов численного имитационного моделирования и наїурігою эьсперимеша при пмиїации мноїоканальноїо режима работы
Апробация результатов работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались,
обсуждались и получили положительные отзывы на The VIII-th Scientific
Exchange Seminar, Moscow Aviation Institute - Technical University Munich
21-27 September, 2003, Russia, Moscow, Научно-технической конференции
молодых ученых, аспирантов и студентов МАИ, Москва, МАИ, март 2005
г, Всероссийском научно-техническом семинаре «Подповерхностная
радиолокация и дистанционное зондирование», Москва, МГТУ им Н Э
Баумана, декабрь 2005 і , Юбилейной научно-технической конференции
молодых ученых «Информационные технологии и радиоэлектронные
системы», Москва, МАИ, май 2006 г, Всероссийской научной
конференции-семинаре «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации,
связи и акустике СРСА'2006», Муром, июль 2006, Юбилейной научно-
технической конференции ЦНИИРЭС «Перспективные направления развиїия радиозлекірошшх комплексов и систем», сешябрь 2006 j , Юбилейной научно-технической конференции «Инновации в радиоіехнических информационно-іелекоммуншсациоїшьгх jexno;ioiиях», Москва, МАИ, октябрь 2006, V молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь - иерснектвные іехнолоіии", Москва, ОАО «Радиофизика», март 2007 г, 17-и Международной Крымской конференции «СВЧ-техника н телекоммуникационные технологии КрыМиКо'2007», Севастополь, сентябрь 2007 г
Публикации:
По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 11 печатных рабої, из них три научные статьи и восемь тезисов докладов
Основные положения, выносимые на шщиту:
Модифицированный ал ори їм дальноепюй мшрацин поіїюляеі для предложенной модели объектов формировать устойчивые двумерные (2D) и трехмерные (3D) радиоизображення обьекюк за ошически непрозрачными преградами с «классической» разрешающей способностью по результатам зондирования и многоканальной регистрации СШП КИ сигналов
Обоснованы модели ожидаемого принятого сигнала, корреляционной матрицы помех и шумов приемного устройства, и получены сооїнеісшующие сірукіурньїе схемы усіройсіва, улучшающие отношение сигнал/фон на 25 дБ и позвотяющие обнаруживать движущиеся объекты на фоне мешающих отражений при использовании СШП короткопмпульспых зондирующих сш налов
Показано, что для обнаружения движущихся объектов на фоне мешающих отражений для высокоскоростных объектов (Ім/ov, >0 15 м/с)
обработка сводится к сочетанию череспериодного вычитания помех и когереншою накопления полезною сшнала в специально формируемых скоростных каналах, для относительно малоскоростных целей (vr <015 м/с) обработка сводится к амплигудно-взвешешгому коїерешному суммированию
4 Предложена методика, позволяющая реализовать многоканальный сбор информации при зондировании радиосцены СШП КИ сигналами, подавление мешающих оіражений оі неподвижных объектв до уровня собственных шумов устройства с потерями полезного сигнала не более 3 дЬ, выявление интерференционных фанюмов, формирование радиоизображения области с построением карты движения объектов
Структура и объем работы;
Диссертационная работа изложена на 146 машинописных страницах и состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников Иллюстративный материал представлен в виде 74 рисунков и 2 таблиц Список литературы включает 85 наименований
