Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Существующие технологии дистанционного досмотра 13
1.1 Рентгеновские системы досмотра 13
1.2 Радиоволновые системы 17
1.3 Системы активной локации и используемые сигналы
1.3.1 Сигналы с линейной частотной модуляцией 20
1.3.2 Сверхширокополосные сигналы 26
1.4 Резюме 31
Глава 2 Микроволновый СВЧ датчик 33
2.1 Микроволновый доплеровский датчик 33
2.2 Принцип работы датчика 35
2.3 Исследование технических характеристик датчика 37
2.4 Проникающая способность излучения датчика 40
2.5 Резюме 41
Глава 3 Матрица микроволновых доплеровских датчиков и сканер с микропроцессорным программным управлением 42
3.1 Шаг регистрации волновых проекций 43
3.2 Матрица МДД 47
3.3 Механика радиоволнового досмотрового устройства
3.3.1 Система горизонтального перемещения матрицы датчиков 51
3.3.2 Интерфейсы входа/выхода сервопривода 53
3.3.3 Система вертикального перемещения матрицы датчиков
3.4 Системная архитектура устройства радиовидения 58
3.5 Резюме 62
Глава 4 Метод томосинтеза и восстановление формы зондируемого объекта 4.1 Принципы голографии 63
4.2 Восстановление радиоизображения 67
4.3 Разрешение по дальности 71
4.4 Ультразвуковая система измерения расстояния 76
4.5 Восстановление рельефа объекта 82
4.6 Практическое применение радиоволнового сканера 86
4.7 Резюме 88
Заключение 90
Список сокращений 92
Литература 93
- Системы активной локации и используемые сигналы
- Исследование технических характеристик датчика
- Система горизонтального перемещения матрицы датчиков
- Практическое применение радиоволнового сканера
Введение к работе
Актуальность проблемы
Обеспечение безопасности в местах массового скопления людей является комплексной проблемой, актуальность которой возрастает с каждым годом. Так, в современных условиях серьезную угрозу для многих стран мира, в том числе для Российской Федерации, представляет терроризм. В большинстве случаев при совершении террористического акта объектом террора становится мирное население. В настоящее время наиболее характерными действиями террористов являются организация взрывов в местах массового скопления людей, пример во время спортивных мероприятий или праздничных шествий. Своевременное обнаружение взрывоопасных предметов позволит сохранить людям жизнь.
Транспортная инфраструктура является одной из важнейших
составляющих общества. Здесь сосредоточены и функционально
переплетены огромные людские, материальные, технические и
информационные ресурсы. Любые противоправные действия, а также
террористические акты в транспортном комплексе приводят к
человеческим жертвам, значительным экономическим потерям,
техногенным и экологическим катастрофам. Самыми защищенными
транспортными объектами являются аэропорты, высокая степень их
защищенности обусловлена применением разнообразных технических
средств досмотра пассажиров и грузов. Эффективным техническим
средством досмотра считается рентгеновский интроскоп, тем более что
существуют его модификации, позволяющие досматривать не только
грузы, но и пассажиров. В зависимости от мощности радиационного
излучения можно получить изображение не только объектов,
расположенных под одеждой на теле досматриваемого пассажира, но и «заглянуть» внутрь человека. Однако необходимо отметить, что рентгеновское излучение, применяемое в интроскопах, небезопасно для здоровья человека при многократном применении. Это подтверждается таким важным параметром, как допустимое количество осмотров пассажира в год. В последнее время появилась альтернатива интроскопам – радиоволновые системы досмотра, которые более безопасны для здоровья человека, а изображение, получаемое с их помощью, сопоставимо по разрешению с изображением, полученным на интроскопе. Однако существующие радиоволновые системы досмотра выпускаются исключительно зарубежными фирмами, а перспективные отечественные разработки пока не выпускаются промышленно.
Подобная, но более «мирная» проблема стоит при досмотре грузов, доставляемых в крупные торговые центры, когда необходимо оперативно,
не вскрывая упаковки, диагностировать целостность и комплектность товара, поступающего большими партиями.
Можно резюмировать, что у современных служб безопасности в арсенале нет мобильного, безопасного для окружающих людей и простого в использовании досмотрового устройства, способного формировать изображения по качеству близкие к оптическим.
В диссертационной работе представлен разработанный действующий макет радиоволнового досмотрового устройства, который позволяет бесконтактно и без вреда для человека «заглянуть» под его одежду и в багаж.
Цель диссертационной работы
Целью работы является разработка действующего макета мобильного радиоволнового сканера, позволяющего осуществлять досмотр людей с точностью, которая достаточна для обнаружения под одеждой запрещенных малоразмерных предметов, а также проводить досмотр грузов, упакованных в оптически непрозрачную (диэлектрическую) тару. Макет может стать основой для создания простого, доступного и мобильного прототипа радиоволнового монохроматического устройства досмотра.
Задачи диссертационной работы
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
-
Выбор оптимальной конструкции сканера с микропроцессорным управлением с точки зрения простоты эксплуатации, мобильности и точности.
-
Разработка рабочего макета микроволнового сканера с микропроцессорным программным управлением рабочими органами сканера.
-
Формирование матрицы микроволновых СВЧ датчиков с набором программно-аппаратных средств, необходимых для снятия волновых локационных проекций зондируемой сцены неоднородностей.
-
Программно-аппаратная реализация высокоточного импульсного метода измерения расстояния до препятствия с использованием фазовой информации, содержащейся в локационном импульсе.
-
Адаптация предложенного метода для оценки относительных перемещений лоцируемого объекта в случае одночастотной системы.
-
Исследование возможности восстановления трехмерного рельефа объекта по данным многоракурсного монохроматического радиозондирования. Апробация предложенных технических решений на примерах их использования для восстановления изображений конкретных тестовых объектов.
Методы исследования
Работа основана на получении и анализе экспериментальных данных,
проведенных на кафедре радиофизики радиофизического факультета НИ
ТГУ и в отделе Радиофизики и радиоэлектроники Сибирского физико-
технического института (СФТИ ТГУ). В качестве инструмента для
проведения экспериментальных исследований использовался
разработанный автором радиоволновой сканер, состоящий из матрицы
приёмо-передающих микроволновых датчиков (МД) движения,
работающих на частоте 24 ГГц. Пространственное положение каретки с
матрицей МД определялось с помощью инкрементального энкодера.
Сигналы, снимаемые с МД, записывались с помощью 12-битового АЦП
микроконтроллера STM32F4 при частоте дискретизации 64 кГц. Для
синхронного сбора данных с АЦП радиоволнового сканера и системы
слежения использовалось специально разработанное программное
обеспечение. Для анализа и интерпретации регистрируемых данных
использовались В работе использованы методы статистической
радиофизики, волновой оптики, теория аналитических сигналов и
согласованная фильтрация. В основе получения изображений высокого
разрешения лежит метод синтезирования больших апертур с
фокусировкой излучения. Автоматическая регистрация данных
производилась с помощью программы, написанной на языке
программирования С++/С#, на нем же производилась первичная обработка данных. Предварительная отладка алгоритмов обработки данных производилась с использованием математического пакета MathCad.
На защиту выносятся следующие положения
-
Разработанный двухкоординатный сканер, управляемый микропроцессором, обеспечивает позиционирование матрицы приемопередающих СВЧ датчиков с точностью не хуже 0,1 мм. Регистрируемое при этом 2D распределение квадратурных составляющих локационных сигналов оказывается достаточным для восстановления радиоизображений зондируемых объектов методом апертурного синтеза с пространственным разрешением порядка 1 см на частоте зондирования 24 ГГц.
-
Монохроматическая система радиовидения позволяет восстановить 3D рельеф зондируемого объекта по 2D распределению фазы радиоизображения, сфокусированного на поперечную плоскость, проходящую через объект. При этом на частоте 24 ГГц рельеф изображения объекта удовлетворительно восстанавливается в пределах глубины зоны фокусировки порядка 4 см.
Достоверность защищаемых положений и других результатов работы
Правомерность первого защищаемого положения подтверждается
результатами многократных испытаний двухкоординатного сканера.
Непрерывный контроль положения каретки с матрицей МД
осуществлялся с помощью инкрементального энкодера, который обеспечивает минимальный пространственный шаг измерения 3 мкм. Достигнутая точность позиционирования достаточна для восстановления радиоизображений объектов, что подтверждается восстановлением деталей тестовых объектов с размерами порядка 1 см на частоте зондирования 24 ГГц.
Достоверность второго защищаемого положения подтверждается экспериментальными результатами восстановления 3D рельефа объектов сложной формы. Протяженность формируемой зоны фокусировки (4 см) определена опытным путем с тестовым объектом – вертикальным стержнем.
Научная новизна
Впервые разработана и экспериментально проверена методика
восстановления рельефа зондируемого объекта по результатам
одночастотной радиолокации. Пространственное распределение фазы сфокусированного на заданную дальность двумерного изображения позволяет восстановить рельеф тестового объекта.
Предложенное и практически реализованное программно-аппаратное
решение обеспечивает получение пространственно-распределенной
картины волновых проекций, необходимой для восстановления
изображения скрытого объекта. Предложенное решение является оригинальным и может быть применено для широкого класса приложений.
Практическая значимость результатов работы
-
Разработанный и реализованный действующий макет радиоволнового сканера на основе матрицы из микроволновых датчиков движения позволяет производить поиск скрытых под одеждой и в ручной клади малоразмерных объектов без вреда для человека, при этом позволяет получать изображение деталей формы объектов с точностью порядка 1 см.
-
Предложенный способ компоновки элементов антенной решётки увеличивает заполненность апертуры в поперечном направлении и позволяет получить радиоизображение тестовой сцены размером
100х50 см за 30 с. Увеличение общего количества МД в матрице с 16 до 128 позволит уменьшить общее время сканирования до 5 с. 3. В конструкции сканера применяются доступные радиоэлектронные элементы и достаточно простые технические решения. При этом, созданный программно-аппаратный комплекс по данным монохроматического радиозондирования позволяет восстановить не только форму объекта, но и его рельеф. Все разработанные программно-аппаратные средства составляют основу для реализации перспективной системы монохроматического радиовидения.
Использование и внедрение результатов работы
Все результаты работы были использованы при выполнении следующих проектов министерства науки и образования и других научных работ:
«Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры», Государственный контракт № 14.740.11.0076 на выполнение научно-исследовательских работ «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области радиофизики, акустики и электроники» по теме: (2010-2012), рук. Якубов В.П.;
«Разработка локационной аппаратуры радиочастотного диапазона для выявления возможно скрытых на теле человека средств терроризма», Хоздоговор с МИРЭА, номер госрегистрации темы (РК): 01201068006, (2010), рук. Якубов В.П.;
«Радиоволновой томосинтез неоднородных сред и объектов», ЕЗН, Федеральное агентство по образованию, (2012-2014), рук. Якубов В.П.;
«Разработка лабораторного макета доплеровского сканера для досмотра торговых грузов на паллетах», Инновационный проект по молодежной программе «УМНИК», (2012-2013), рук. Кузьменко И.Ю.
Кроме того результаты исследований использованы в учебном процессе при постановке лабораторных работ в магистерском курсе по радиоволновой томографии по направлению «Радиофизика». Лабораторный макет радиосканера был представлен на выставке «U-NOVUS», где он в составе комплекса разработок Томского государственного университета был отмечен сертификатом. Развитие предложенных методов и алгоритмов легло в основу выполненного автором инновационного проекта по программе «УМНИК».
Апробация результатов
Основные положения и результаты диссертационной работы были
опубликованы в виде 13 статей, докладывались и обсуждались на
следующих научных конференциях: 3-й научно-практической
конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» с
международным участием (Томск, 2012 г.); 4-й Международной научно-
практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-
2012» (Томск, 2012 г.); 24 международной Крымской конференции «СВЧ
– техника и телекоммуникационные технологии» (Симферополь, 2014); 10
международная научно-практическая конференция «Электронные
средства и системы управления» (Томск, 2014 г.).
Личный вклад автора
Автор самостоятельно разработал и сконструировал 2D сканер
высокой точности. Самостоятельно проводил монтаж датчиков матрицы,
элементов блока усилителей и фильтров, доводил макет до
работоспособного состояния, оптимизировал его конструкцию.
Самостоятельно проводил испытания сканера и ставил все
представленные в работе эксперименты. Автором разработано
программное обеспечение для синхронного сбора данных с матрицы МД и
системы позиционирования для последующей томографической
обработки, включая восстановление рельефа по данным
монохроматического зондирования.
Основными соавторами опубликованных работ являются Якубов В.П. Шипилов С.Э., Муксунов Т.Р., Федянин И.С., Сатаров Р.Н., Антипов В.Б. Клоков А.В., Балзовский Е.В. и Буянов Ю.И. Все соавторы согласны с использованием совместных результатов в настоящей диссертационной работе. Так совместно с научным руководителем работы д.ф.-м.н. профессором В.П. Якубовым был определён план диссертационной работы, обсуждались и анализировались результаты исследований. Сотрудники кафедры радиофизики НИ ТГУ и отделения радиофизики и радиоэлектроники СФТИ ТГУ к.ф.-м.н. Шипилов С.Э. и аспирант Муксунов Т.Р. оказали необходимую помощь в организации работ, конструировании и обработке результатов экспериментов. Постоянное обсуждение с ними состояния исследований способствовало успешному завершению работ.
Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем
упомянутым выше лицам, а также всему профессорско-
преподавательскому составу кафедры радиофизики ТГУ и отделения радиофизики и радиоэлектроники СФТИ ТГУ за поддержку и помощь в выполнении работы.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 – в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит: страниц – 105, рисунков – 52, таблиц – 2. Список литературы – 109 наименований.
Системы активной локации и используемые сигналы
Наиболее распространённой является разработка американской компании Rapiscan Systems, которая специализируется на производстве досмотрового оборудования, установка представлена на рисунке 1. Ассортимент оборудования представлен аппаратами для досмотра багажа, персонального досмотра, досмотра грузов, транспортных средств и оборудованием для горного дела. Кроме собственно аэропортов, изделия Rapiscan можно встретить на военных объектах, в исправительных учреждениях и на пограничных контрольно-пропускных пунктах. Доза облучения, которую получает человек при досмотре на Secure-1000, равна 10 микробэр, то есть 0,1 микрозиверт. Принцип ее работы следующий: трубка, используемая для генерации рентгеновского излучения, обладает остронаправленной диаграммой направленности (ДН), близкой к оптическому лучу. Установка, управляя лучом, сканирует поверхность тела человека, одновременно производится фиксация рассеянного рентгеновского излучения, по которому восстанавливается изображение человека. Из-за малой мощности рентгеновского излучения система способна «увидеть» предметы, находящиеся только на поверхности тела человека, но не внутри его. Из-за малой излучаемой мощности перед досмотром требуется снимать верхнюю одежду и обувь.
Из российских досмотровых систем следует рассмотреть разработку московского специального конструкторского бюро «МЕДРЕНТЕХ», внешний вид установки представлен на рисунке 2. Компания образована в 1995 году и позиционирует себя разработчиком и производителем отечественного досмотрового оборудования в России. Поле их деятельности — высоковольтное испытательное оборудование, рентгеновское медицинское оборудование и антитеррористическое досмотровое оборудование (проверка ручной клади, посылок, бандеролей, среднегабаритного и крупногабаритного багажа, бесконтактный досмотр человека). Среди заказчиков числятся Таможенный комитет РФ, МВД России, Министерство транспорта РФ, Минатом России.
Достаточно интересной является новосибирская разработка «СИБСКАН». Создана она в Институте ядерной физики (ИЯФ) СО РАН, а производится серийно орловской компанией «Научприбор» (рисунок 3). Следует заметить, что ИЯФ СО РАН занимается как фундаментальными исследованиями в области ядерной физики, так и созданием высокотехнологичного оборудования для научных и производственных целей. В частности, ИЯФ СО РАН выполнил комплекс работ для Европейского центра ядерных исследований (CERN), в том числе магниты и систему охлаждения для Большого адронного коллайдера.
Система «СИБСКАН» состоит из двух стоек. Вдоль одной движется рентгеновская трубка и коллиматор, который вырезает веерный плоский тонкий пучок рентгена. На второй размещен линейный детектор, регистрирующий пучок излучения, ослабленный в теле человека. Сканирование осуществляется со скоростью полметра в секунду, через несколько секунд изображение выводится на экран компьютера. Размер пикселя снимков, сделанных на установке 1 мм2, в то время как у американской системы на 2 порядка хуже. Система «СИБСКАН» позиционируется как радиационно безопасная система. Тем не менее, именно этот пункт стал камнем преткновения в общественном сознании. Установка «СИБСКАН», работает в аэропорту Толмачёво (г. Новосибирск). Заметим, несмотря на успокаивающие надписи, желающих пройти через нее обычно намного меньше, нежели через более привычную систему, установленную по соседству.
Производится американской компанией L-3 Communications, известной по досмотровому оборудованию широкого профиля. Установка SafeScout зондирует поверхность тела человека уже не лучом рентгена, а субмиллиметровыми радиоволнами. Досмотр происходит быстро (3 секунды), радиолокационное излучение практически безопасно для здоровья человека. Конечно, система не видит того, что спрятано внутри человека. Также она бессильна, если пассажир одет в мокрую одежду, кофту с люрексом, наряд из ткани с металлическим напылением. Стоит установка весьма внушительно.
Вариант системы досмотра фирмы Smiths Heimann Здесь сенсорная панель микроволнового зондирования, судя по всему, представляет собой многоэлементную решетку из управляемых отражающих элементов. При этом видно, что радиоволновое зондирование сопряжено с системой магнитоиндукционного досмотра скрытых металлических предметов. Эта система работает в режиме реального времени. Поскольку досмотр осуществляется лишь с одной стороны (со стороны сенсорной панели), то для полного досмотра человеку предлагается, подняв руки, совершить полный поворот на 180 в центре контролируемой зоны (круг на рисунке 5). В результате на досмотр одного человека уходит 10-30 секунд времени, а достигаемое разрешение 1 см. Сложность системы (значительная стоимость) и малое разрешение остаются недостатками и этой разработки.
Исследование технических характеристик датчика
Одна из задач диссертационной работы - дополнение алгоритма томосинтеза, позволяющее реконструировать трехмерный рельеф зондируемого объекта по волновым проекциям, снятым с помощью МДД Выполнение поставленной задачи возможно при исчерпывающем понимании физических принципов работы датчика, также глубокое понимание его работы в дальнейшем может «подсказать», почему экспериментальные результаты отличаются от теоретических.
На рисунке 1 б приведена структурная схема доплеровского датчика. Генератор высокой частоты генерирует монохроматические колебания частотой 0)Q и амплитудой U s = AQCOsUtf).
Высокочастотные колебания генератора поступают одновременно на передающую антенну (ТХ), фазовращатель (2) и смеситель (4). Запишем сигнал на выходе фазовращателя U p=A0sm(cD0t).
Сигнал записан в предположении, что амплитуда опорного колебания не изменяется при прохождении фазосдвигающей цепочки, происходит только сдвиг фазы опорного колебания на 90. Отраженный от объекта сигнал, улавливаемый приемной антенной (RX), представим в виде: U r=Alcos(a)Q(t-At)\ где А - амплитуда принятого колебания, At = 2г/с - время распространения сигнала до тестового объекта и обратно. Принятый антенной (RX) сигнал поступает на смесители (3, 4). Смеситель представляет собой радиоэлектронный узел, выполняющий операцию умножения опорного сигнала, вырабатываемого генератором, с принятым сигналом. Запишем сигналы на выходе смесителя: U I=A 0 AlcOs(%,)cOs(%(ti))= cOs(2O)0 ti)+cos(O)0A1j ye = sm( V)cos(ab(r-Ar)) = M[Sm(2 V-Ar)+sin(flbAr) Из полученного выражения видно, что сигнал на выходе смесителя состоит из высокочастотной составляющей удвоенной опорной частоты cos(2Q)Qt-At\ и, так называемой, информационной составляющей cos Af). Высокочастотная составляющая сигнала с частотой 2coQ удаляется ФНЧ (5, 6), в конечном итоге сигнал на выходе смесителя: ААЛ , х AJL ( 1г\ А АЛ C/o=- sin(fi?0Af) = - sin (D0—\ = -sm(2kr).
Анализ полученного выражения показывает, что даже при отсутствии перемещения датчика относительно тестового объекта на его сигнальном выходе присутствует постоянное напряжение. Уровень напряжения зависит от расстояния г между датчиком и тестовым объектом Uj «cos(2r). Если рассмотреть выражение Uj «cosuy An то становится очевидным, почему даже в отсутствии перемещения датчика относительно зондируемого объекта сигнал на выходе датчика присутствует и является информативным. Приемная часть доплеровского датчика представляет собой не что иное, как квадратурный приемник, в котором происходит сравнение фазы опорного колебания с фазой принятого отраженного от объекта сигнала.
Если датчик покоится относительно исследуемого объекта, то разность фаз между опорным и принятым сигналом постоянна, соответственно постоянно и выходное напряжение. Как только расстояние г между датчиком и объектом начинает меняться r+dr, фаза принятого локационного сигнала тоже меняется (p = 2k{r+dr), вследствие чего на выходе датчика появляется переменный сигнал доплеровской частоты.
Приведенные выше рассуждения основываются на том, что радиоэлектронные узлы, входящие в состав датчика, работают как идеальные. На практике работа любого узла существенно отличается от его идеальной модели. Для проверки приведенных выше рассуждений был поставлен эксперимент, схема которого представлена на рисунке 2.
Доплеровский датчик был закреплен на подвижную каретку механического устройства линейных перемещений (сканер). Сканер оборудован инкрементальным энкодером, импульсные сигналы которого позволяют в реальном времени отслеживать текущую координату каретки и направление ее движения. На расстоянии 20 см от датчика была размещена металлическая пластина (рисунок 2). В начале эксперимента каретка с датчиком медленно удаляется от неподвижного металлического листа, когда каретка достигает крайне правого положения, движение прекращается. После полного останова происходит смена направления движения на противоположное, и каретка с датчиком движется уже навстречу металлическому листу, по достижению крайне левого положения каретка останавливается и весь процесс повторяется. Запись обеих квадратур сигнала и координат каретки производится все время эксперимента.
На рисунке 3 а представлены снятые экспериментально I и У квадратуры сигнала, также на графике отображены относительные координаты каретки с датчиком, полученные от энкодера. По графику координат каретки видно, что сканер линейных перемещений точно осуществляет возвратно поступательные перемещения, крайние положения каретки совпадают от перемещения к перемещению с точностью не хуже 0,1 мм. По графику квадратур сигнала можно сделать вывод о стабильной работе датчика в целом, так как форма сигналов повторяется от перемещения к перемещению. Сохранение фазовой информации важно для реализации волновых систем томографии. На рисунке 3 б представлена фаза принимаемого сигнала, рассчитанная по формуле
Фаза сигнала увеличивается при удалении датчика с кареткой от объекта локации, а при приближении уменьшается. На рисунке 3 б видно, что при удалении датчика фаза сигнала монотонно растет, однако при достижении значения л скачком изменяется на 2ж. Когда каретка с датчиком останавливается фаза сигнала принимает фиксированное значение, которое остается неизменным пока каретка неподвижна. При смене направления движения фаза сигнала уже монотонно убывает и по достижению значения -л скачком изменяется до л. Для получения информации об относительном перемещении датчика по фазе сигнала предлагается провести операцию восстановления полной фазы. На рисунке 3 в изображены относительные координаты каретки, полученные от инкрементального энкодера и восстановленная фаза сигнала, умноженная на коэффициент 1/2&. Умножение восстановленной фазы на указанный а коэффициент позволяет перейти к пространственным координатам, а сомножитель 1/2 учитывает локационную схему эксперимента. квадратуры сигнала и относительные координаты каретки (а), фаза сигнала и относительные координаты каретки (б), координаты каретки, полученные с энкодера и координаты, рассчитанные по восстановленной фазе сигнала (в) Результаты эксперимента показывают (рисунок 4), что даже при зондировании объекта одночастотным сигналом удается определить направление движения объекта, вычислить его скорость и относительное перемещение.
Система горизонтального перемещения матрицы датчиков
Интерференционный максимум, расположенный в центре голограммы 1 а, обусловлен тем, что в данную точку пространства опорная и предметная волны приходят в фазе. Интенсивность результирующего поля уменьшается при удалении от центральной точки голограммы. Уменьшение интенсивности происходит потому, что у интерферирующих волн появляется разность фаз. При удалении от центральной точки голограммы на расстояние порядка p JI (размер первой зоны Френеля) разность фаз достигает значения п, вследствие чего наблюдается интерференционный минимум. При дальнейшем удалении разность фаз начинает уменьшаться, что приводит к увеличению интенсивности.
В процессе многопозиционного радиозондирования, когда матрица доплеровских датчиков перемещается в плоскости, перпендикулярной направлению на объект, фиксируется тоже интерференционная картина. В роли интерферирующих сигналов выступают сигнал опорного генератора, расположенного в датчике, и сигнал, отраженный от объекта.
Изображения, представленные на рисунке 1, подобны потому, что идентичен процесс их формирования. Выходной сигнал датчика представляет собой квадратуру выходного сигнала смесителя. Здесь сразу отображается интерференционная картина радиоголограммы. Роль опорного сигнала играет сигнал задающего генератора. Предметным сигналом является сигнал, отраженный от шарика. Разница заключается лишь в способах получения результирующей интерференционной картины. Для регистрации голограммы объекта в оптическом диапазоне применяют опорную волну и регистрируют результирующую интерференционную картину матрицей светочувствительных элементов. В случае использования доплеровских датчиков интерференционный сигнал формируется сразу на выходе устройства. Для снятия всей интерференционной картины в радиодиапазоне необходимо провести пространственное сканирование с использованием матрицы доплеровских датчиков.
При относительно широкой диаграмме направленности локационной системы принимаемый сигнал является результатом интерференции множества волн, отраженных пространственно-распределенными объектами. Снятая с помощью матрицы микроволновых датчиков интерференционная картина является основой для обработки по соответствующей технологии восстановления реального распределения неоднородностей. При этом существует возможность регулировки глубины фокусировки и фактического томографирования изображения. В технологии радиолокации с синтезированной апертурой (РСА) для обработки полученного изображения необходимо задание т.н. аппаратной функции системы (АФС), являющейся локационным пространственно-временным откликом на точечный отражатель. Восстановление АФС в работе сделано теоретически путем моделирования с учетом траекторных параметров локационной системы. Использование РСА технологии совместно с АФС будем далее именовать томосинтезом.
Остановимся более подробно на методе восстановления радиоизображения. Для восстановления изображения зондируемого объекта по его интерференционной картине в радиотомографии, как и в оптике, используют последовательность преобразований, которая прямо следует из спектрального подхода к задаче дифракции. Первый шаг - двумерное преобразование Фурье от интерференционной картины: свободного пространства h (х, у) = ехр изображение предмета (картина интенсивности) находится как квадрат модуля функции f(x,y) [1, 3, 5, 7, 12, 14, 19, 89-109].
Поясним модель формирования АФС. Если локационная система перемещается со скоростью V вдоль оси ОY, а точечный отражатель находится в точке с координатами r()=(x(),y(),zA, то принятый в точке наблюдения сигнал записывается как где G - диаграмма направленности антенны, Д, - коэффициент отражения, к = 2л- f/c - волновое число для излучения с центральной частотой /. Параметр х здесь соответствует поперечной к направлению движения координате антенной системы, т.е. положению СВЧ датчика в антенной решетке. Рассчитанная так функция Е0(х,у) может быть интерпретирована как АФС. На рисунке 1 а показан вид функции для точечного отражателя при локационном сканировании решеткой СВЧ датчиков со скоростью 50 см/с, расстояние до зондируемого объекта 15 см. Рабочая частота задана 24 ГГц. Если отражателей несколько, или зондируемые неоднородности имеют распределенный характер, радиолокационная картина (волновая проекция, или радиоголограмма) еще более усложняется.
С помощью описанного выше способа восстановлены изображения простейших тестовых объектов. Например, на рисунке 2 а представлена интерференционная картина металлического шарика диаметром 1см, удаленного от плоскости сканирования на 15 см. На рисунке 2 б радиоизображение металлического шарика. На рисунке 3 показаны интерференционная картина металлической трубы диаметром 1,6 см и восстановленное изображение объекта.
Как видно из рисунков 2 б и 3 б пространственное распределение неоднородностей тестовой сцены эксперимента уверено восстанавливается, погрешности в восстановленных изображениях практически отсутствуют. Полученные изображения простейших тестовых объектов свидетельствуют о том, что все узлы радиоволнового сканера функционирует корректно.
Фотография тестового объекта (а), его интерференционная картина (б) и радиоизображение (в) Для определения разрешения в плоскости сканирования было восстановлено радиоизображение металлизированного ступенчатого треугольника, размер ступеньки 5 см. В центре треугольника расположено отверстие квадратной формы размером 2х2 см. На рисунке 4 а представлена фотография тестового объекта, а на рисунке 4 в его восстановленное радиоизображение, по которому возможно определить форму и размеры зондируемого объекта. Центральное отверстие на радиоизображении не только прослеживается, но и определяется его форма.
Восстановленные изображения «классических» тестовых объектов свидетельствуют о перспективности применения монохроматических доплеровских датчиков в радиоволновой досмотровой системе.
Практическое применение радиоволнового сканера
Практическое применение радиоволнового сканера – это досмотр людей на наличие под одеждой запрещенных предметов. Рельеф тела человека сложный, обладающий многочисленными выступами и углублениями. а в а г Рисунок 4.15 – Фотография (а), интерференционная картина (б) и радиоизображение (в) тестового объекта, нормированная интенсивность (г-1) и пространственное распределение фазы радиоизображения (г-2) Сразу возникает вопрос - на какую дальность фокусировать излучение, если исследуемый объект имеет столь сложную форму.
Для ответа на поставленные вопросы проведена серия экспериментов. На рисунке 15 представлены результаты одного из них. В эксперименте восстанавливалось изображение двух металлических пластин, плоскости которых сдвинуты на 2 мм друг относительно друга. Геометрические размеры пластины 35х15 см, фотография объекта изображена на рисунке 15 а. На рисунке 15 в представлен результат фокусировки интерференционной картины (рисунок 14 б) на ближайшую из пластин. По восстановленному изображению не удается определить пространственное расположение пластин, т.е. узнать, какая пластина дальше, а какая ближе. Фокусировка на другую пластину также не позволяет восстановить рельеф зондируемого объекта.
Для построения трехмерного рельефа зондируемого объекта предлагается использовать фазовую информацию восстановленного изображения. Для исследования пространственного распределения фазы выбрана строчка изображения, отмеченная на рисунке 15 в пунктирной линией. На рисунке 15 г цифрой 1 помечена интенсивность выбранной строки, а цифрой 2 представлено пространственное распределение фазы восстановленного изображения. Необходимо уточнить, что на рисунке 15 г ось ординат переведена из радианов в метры простым умножением фазы на коэффициент \/2к, где к - волновое число. Из приведенного графика видно, что фаза изображения вдоль металлического листа постоянна, при переходе с одного металлического листа на другой изменяется скачком.
В следующем эксперименте на металлическую пластину закреплен диэлектрический брусок, фотография тестового объекта изображена на рисунке 16 а. Металлический лист имеет форму трапеции, у которой длина оснований 16 и 9 см, а высота 25см. д
Фотография (а), интерференционная картина (б) и радиоизображение (в) тестового объекта, распределение нормированной интенсивности и фазы (г, д) вдоль указанных строк изображения Размеры диэлектрического бруска 2х5х9 см. Исходная интерференционная картина изображена на рисунке 16 б, а восстановленное изображение на рисунке 16 в. По изображению хорошо определяется форма металлического листа, также видны очертания объекта, расположенного перед листом. Для исследования пространственного распределения фазы выбраны две строчки изображения. Распределение интенсивности и фазы изображения вдоль строки, отмеченной на рисунке 16 в штриховой линией, показано на графике 16 г. Из приведенной зависимости видно, что фаза изображения вдоль металлического листа практически постоянна. Распределение интенсивности и фазы изображения вдоль строки, отмеченной на рисунке 16 в штрихпунктирной линией, показано на графике 16 д. Из приведенной зависимости видно, что в месте расположения диэлектрического объекта фаза сигнала отличается от значения фазы на листе. Таким образом, анализ пространственного фазового распределения радиоизображения позволяет восстановить трехмерный рельеф зондируемого объекта.
Отсюда, а также из предыдущих глав, где используется сделанный вывод, вытекает второе защищаемое положение: Монохроматическая доплеровская система радиовидения позволяет восстановить 3D рельеф зондируемого объекта по 2D распределение фазы радиоизображения, сфокусированного на поперечную плоскость, проходящую через объект. При этом на частоте 24 ГГц рельеф изображения объекта удовлетворительно восстанавливается в пределах глубины зоны фокусировки порядка 4 см.
Одно из возможных практических применений радиоволнового сканера – досмотр грузов, упакованных в диэлектрическую непрозрачную тару. Для проверки работоспособности сканера в картонную коробку помещены три 1,5 л бутылки с водой. На рисунке 17 а представлена интерференционная картина досматриваемого объекта, а на рисунке 17 б его изображение. После этого из коробки одна бутылка была извлечена, а на ее место помещен пластиковый пистолет. Интерференционная картина и радиоизображение объекта изображены на рисунках 17 в и 17 г. По представленным результатам видно, что разрешающей способности созданного радиоволнового сканера вполне достаточно для тщательного досмотра содержимого коробки.