CC BY
176
№ 278
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сентябрь
2003
НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
УДК 621.396.67
В.П. Якубов, Е.Д. Тельпуховский, Ю.И. Буянов
РАДИОВОЛНОВАЯ ГОЛОГРАФИЯ И ТОМОГРАФИЯ НА КАФЕДРЕ РАДИОФИЗИКИ
В настоящее время работы поддерживаются грантом РФФИ № 01-02-17233-а и программой «Интеграция».
Приводится обзор основных теоретических и экспериментальных результатов, полученных на кафедре радиофизики ТГУ и в отделе радиофизики СФТИ за последние 10 лет в области радиоволнового зондирования неоднородных сред и объектов с использованием методов голографии и томографии.
Традиционная направленность научных исследований кафедры радиофизики - дистанционное зондирование неоднородных сред. В основе этих работ лежит сочетание глубокого теоретического подхода с разносторонними экспериментальными исследованиями, направленными на решение наиболее актуальных практических задач. В числе других методов в последнее время наибольшее развитие на кафедре радиофизики получили методы радиоголографии и радиотомографии.
Радиоволновое излучение рассматривается как средство для дистанционного зондирования сред. В результате взаимодействия излучения с неоднородностями вещества возмущениям подвергаются такие его параметры, как амплитуда, фаза, поляризация, спектр и т.д. Именно в этих возмущениях заключена информация об исследуемом объекте. Только сочетание адекватных теоретических моделей и тщательно выверенных экспериментальных измерений позволяет получить новые результаты, воплощаемые в новых устройствах и системах.
Суть голографического подхода в радиоволновом диапазоне заключается в наиболее полном измерении всех возможных параметров полей, несущих информацию об исследуемой среде или объекте. Антенны, участвующие в процессе излучения волн и их последующем приеме, должны вносить минимальные или, по крайней мере, контролируемые искажения в процесс зондирования. Зондирование может быть как активным, так и пассивным. Последнее обстоятельство особенно интересно для приложений. Измерения должны давать максимально доступный диапазон волновых проекций объекта исследований как в пространственной, так и в частотной или временной областях. Наличие достаточной базы зарегистрированных волновых проекций создает возможность для томографического решения обратной задачи восстановления структуры исследуемой среды или объекта. На этом этапе на первый план выходят модели взаимодействия излучения с веществом, а также современные информационные технологии.
Следуя этой концепции, рассмотрим полученные в последние годы на кафедре радиофизики ТГУ и в отделе радиофизики СФТИ основные результаты. Многие из проведенных исследований были начаты по инициативе и участии безвременно ушедшего из жизни бывшего заведующего кафедрой радиофизики профессора Г.А. Пономарева.
1. АНТЕННЫ И РЕШЕТКИ
Антенна является первым элементом в любой системе радарного зондирования. Образно говоря, она является «глазами и ушами», дающими основную ин-
формацию об объекте зондирования. В системах активного зондирования она обеспечивает еще и засветку объекта. Развитие получили антенны нового поколения, позволяющие измерять амплитуду, фазу и поляризацию радиополей с минимальными их искажениями. Для этого используются как активные, так и пассивные антенны, размеры которых существенно меньше рабочей длины волны. Объединение этих антенн в фазированные линейные и пространственные решетки и совмещение регистрации сигналов с их аналоговой и цифровой обработкой придает им новые функциональные свойства, наделяет их интеллектом. Использование объемных конструкций антенн существенно расширяет их диапазонные свойства и создает возможность для сверхширокополосного зондирования.
1.1. Векторные антенны
В ряду наиболее ярких результатов стоит разработка так называемых векторных антенн, позволяющих без каких-либо их поворотов проводить в одной точке полные поляризационные измерения полей. Используется решетка из помещенных в одну точку скрещенных вибраторов электрического и магнитного типа (рис.1).
Рис. 1. Две конструкции векторных антенн
Введение таких понятий, как синфазные и противофазные токи в антенне, а также разработка простых компактных трансформаторных устройств их разделения позволили выйти на использование петлевых ан-
тенн в качестве как магнитных, так и электрических вибраторов одновременно. При этом сразу решается проблема согласования с фидерными устройствами. Раздельное и совместное снятие сигналов в виде квадратурных составляющих позволяет полностью сохранить амплитудно-фазовую информацию о полях. Одновременное измерение в одной точке всех шести компонентов электромагнитного поля позволяет решить ранее считавшуюся неразрешимой задачу декомпозиции интерференционного поля на составляющие без использования пространственного разноса. При этом определяются как все поляризационные параметры волн, так и направления их распространения. Отсюда широкая перспектива их использования в системах пассивной радиолокации и антифединговой связи.
Предложенные конструкции антенн были использованы в экспериментах по радиозондированию лесных покровов. Для исследования был выбран достаточно однородный участок лиственничного леса на полигоне Института леса КНЦ СО РАН. Из этих экспериментов следует, что при аэрокосмическом зондировании лесов необходимо учитывать электрофизическую структуру подстилающей земли. Рассеянное лесом излучение существенно зависит от угла визирования. Впервые выделена интерференционная структура поля под пологом леса. Пример этой структуры, зарегистрированной на частоте 1275 МГц, показан на рис. 2.
» » «О я Й ЛйиЧ. т в
Рис. 2. Интерференционное поле для вертикальной (а) и горизонтальной (б) поляризаций под пологом леса
Реально разработаны конструкции активных и пассивных векторных антенн на КВ-, УКВ- и СВЧ-диапазоны. По этому направлению выполнен ряд грантов Минобразования, получены патенты на изобретения. Варианты конструкций этих антенн нашли широкое использование в качестве всеволновых телевизионных антенн индивидуального и коллективного пользования в городе Томске. Начато их расширенное производство.
1.2. Сверхширокополосные антенны
Следующим большим достижением в развитии стала разработка физических принципов и конкретных конструкций так называемых сверхширокопо-лосных антенн. Основная идея в их создании состоит в комбинационном использовании антенн электрического и магнитного типа в одной объемной конструкции. Физически это дает совмещение ближних зон каждой из антенн, взаимную компенсацию области локализации разноименных реактивных полей. В результате граница дальней зоны существенно приближается к поверхности антенны, антенна становится существенно нерезонансной, а эффективность излучения сохраняется в рекордно широкой полосе частот. На рис. 3 приведен пример измерения такого важного параметра, как КСВН для одной из реально созданных антенн. Этот параметр характеризует эффективность согласования антенны с фидером и равен отношению максимума к минимуму амплитуды поля интерференции волн, идущих к антенне и отраженных от неё в подводящем фидере. Предельно теоретически возможное значение равно 1. В разработанной конструкции удалось реализовать величину не выше 1,5 в полосе от 1 до 17 ГГц. При этом сохраняется положение фазового центра, линейная поляризация излучения, положение максимума излучения. Ширина диаграммы направленности не превышает 60 угловых градусов в обеих плоскостях.
В последующих разделах будет описано использование этой антенны в составе подповерхностного томографа и радара для зондирования леса.
2. РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ПЕЛЕНГАТОРЫ
Радиоголографический принцип регистрации полей состоит в регистрации амплитудно-фазового распределения поля в каждой точке некоторой апертуры. Такая регистрация возможна множеством способов. Авторами выбран как наиболее простой в реализации, но достаточно точный способ измерения, основанный на предварительном подмешивании в измеряемый сигнал так называемых опорных сигналов и последующем измерении амплитуды суммарного сигнала.
2.1. Квадратурные компоненты и амплитуднофазовые измерения
Обозначим как А (t) и ф (t) амплитуду и фазу измеряемого сигнала. Равнозначными, но более просто
определяемыми величинами являются квадратурные компоненты сигнала:
C (t) = A (t) cos ф (t), S (t) = A (t) sin ф (t). (1)
Для их определения использована смесь исходного сигнала с опорным сигналом, амплитуда А0 которого фиксирована, а фаза принимает последовательно три значения ф0 = 0, ± л/2 . Измеряемая интенсивность суммарного сигнала принимает соответственно три различных значения:
Iо = A + Ao + 2 AAo cos ф,
I12 = A2 + AO ± 2AA0 sin ф .
Квадратуры (1) однозначно определяются отсюда с помощью соотношений
C =
I - 12
4 A
S =
2 Io - Ii -12 4 Ao
(2)
тракта. Используемые элементы антенной решетки достаточно широкополосны.
Предложенные технические решения реализации радиоголографических пеленгаторов нашли воплощение в серийном выпуске спецтехники для контроля электромагнитной обстановки пространства, один из образцов которой приведен на рис. 4.
Предложенный способ измерения составляет основу для создания радиоголографических пеленгаторов, в которых указанные измерения выполняются во множестве пространственно разнесенных точек, образующих фазированную решетку или их комбинацию. Измерительно-вычислительное устройство используется одно, а для выполнения многомерных измерений применяется последовательная коммутация подводимых измеряемых и опорных сигналов. Коммутация и суммирование сигналов осуществляется по высокой частоте. Измерение интенсивности (амплитуды) сигналов производится стандартным измерительным приемником. Обработка сигналов вида (2) производится в ЭВМ, подключенной через АЦП к приемнику.
2.2. Пространственно-временной спектральный анализ полей
Пространственный спектральный анализ сигналов, снимаемых с эквидистантно разнесенных приемных антенн, дает распределение сигналов по пространственным частотам: кх = k cos а . Делается это с помощью дискретного преобразования Фурье. Использование измерений в линейной антенной решетке однозначно определяет направления прихода излучения в полупространстве. Для однозначного определения углов прихода радиоволн при круговом обзоре пространства использовались различные пространственные конфигурации антенных решеток типа «крест», «четырехугольник», «треугольник» и «круг». Например, в системе «крест» одновременные измерения по ортогональной решетке дают возможность найти распределение по ортогональным пространственным частотам: ку = k sin а . Здесь а - азимутальный угол направления прихода излучения с волновым числом k = 2п/Х = 2л//с . Пересчет простран-ственных частот в угол прихода излучения дает пеленгацию источника излучения.
Сканирование по временным частотам источников излучения осуществляется путем программно управляемой перестройки частоты смесительной СВЧ-головки, которая служит для переноса частоты измеряемого сигнала на рабочую частоту измерительного
Рис. 4. Радиоголографический пеленгатор
3. РАДИОТОМОГРАФИЯ
Радиоголографический подход в измерении амплитудно-фазового распределения полей получил свое развитие в радиотомографии неоднородных сред и объектов. Основная идея томографии состоит в восстановлении внутренней структуры сред по результатам многоракурсного пространственного зондирования. Использование радиодиапазона для проведения томографии наталкивается на существенно возрастающее влияние явлений дифракции, многократного рассеяния и поглощения излучения в реальных средах. Для преодоления возникающих трудностей авторами предложено использовать локализацию областей взаимодействия излучения с веществом на основе явления фокусировки когерентного излучения.
3.1. Проблема фокусировки
Суть любой фокусировки заключается в использовании явления интерференции. Известно, что, например, за счет создания определенного амплитуднофазового распределения источников излучения на некоторой апертуре всегда можно добиться синфазного сложения волн в некоторой заданной точке пространства, называемой точкой фокуса. Разумеется, создание эффекта фокусировки возможно только в пределах зоны дифракции Френеля. Фокусировка может
создаваться физически с реальным излучением (в линзах, фазированных антенных решетках) и математически при анализе сигналов (в компьютерных программах). Во втором случае эффект фокусировки может наблюдаться лишь на экране компьютера при обработке данных. На рис. 5 показан пример расчета мгновенного среза распределения интенсивности импульсного излучения наносекундной длительности, сфокусированного апертурой 320 см на расстояние 180 см. Важным является то, что в соседних областях интенсивность излучения мала и значит мало взаимодействие излучения с неоднородностями в них.
320 см
28 см
180
н»
32 см
240 300
Рис. 5. Распределение поля вблизи точки фокусировки
3.2. Трансмиссионная томография
Предложенное явление фокусировки использовано в действующей модели радиоволнового томографа, построенного по трансмиссионной схеме, т.е. по схеме сквозного просвечивания. Именно такая схема используется в рентгеновских томографах. На рис. 6 приведена блок-схема СВЧ-тракта установки.
Рис. 6. Блок-схема трансмиссионного радиотомографа
Применено частотное сканирование в диапазоне 8 - 12 ГГц с использованием отечественного панорамного измерителя Р4-36. Фокусировку удалось реализовать с помощью двух диэлектрических линз. Поперечный размер области локализации в воздухе равен 3 см. Для сканирования использовано сочетание автоматизированного линейного и вращательного перемещения исследуемого объекта в области фокуси-
ровки. На левой части рис. 7 показан пример сложного тестового объекта, состоящего из двух вертикальных диэлектрических цилиндров различного сечения. На правой части рис. 7 показан результат - его радиотомограмма. Программное обеспечение основано на использовании известного метода Фурье синтеза в сочетании с учетом многократных взаимодействий в рамках так называемого фазового приближения метода Г юйгенса - Кирхгофа.
-15 -10 -5 0 5 х, см
а б
Рис. 7. Тестовый объект и его томограмма
3.3. Радиолокационная томография
В ряде практически важных случаев использование классической томографической схемы на просвет просто невозможно, например, при поиске мин или погребенных под завалами объектов, в медицинской диагностике и т.д. Здесь либо радиоизлучение сильно поглощается и практически не проходит насквозь, либо приемную антенну невозможно погрузить в среду. Для зондирования предложена локационная схема проведения трехмерной томографии. Её идея состоит в том, что зондирование проводится сверхширокопо-лосным излучением по бистатической схеме локации при небольшом разносе передающей и приемной антенн. Измерения производятся путем пространственного и частотного сканирования в плоскости параллельной границе раздела сред. Эти исследования проводятся на кафедре радиофизики совместно с Магде-бургским университетом (Германия).
Для проведения тестовых экспериментов был изготовлен деревянный бокс размерами 1,1 х 1,1 х 0,9 м (рис. 8). С внутренней стороны бокс покрыт поглощающим материалом. Это сделано для уменьшения мешающих отражений волн от стенок бокса. Для имитации земной поверхности бокс заполнен песком на глубину 0,5 м. Тестовые измерения проведены со ступенчатым объектом треугольной формы, изготовленным из вспененного полистирола. Диэлектрическая проницаемость этого материала мало отличается от проницаемости воздуха. Размер каждой ступеньки был равен 5 см. Объект был погружен на глубину 11 см. Для зондирования выбрана бистатическая схема локации. Антенны при этом располагались на расстоянии 14 см. Для проведения частотного сканирования использован панорамный прибор Vector Network Analizator фирмы ROHDE&SCHWARZ, позволяющий проводить амплитудно-фазовые измерения в диапазоне от 9 кГц до 4 ГГц. Нами был задействован диапазон от 2 до 4 ГГц, в котором использованные
антенны имели КСВН не более 1,2 (рис. 3). После стандартной калибровки динамический диапазон измерения сигналов составлял около 60 дБ. Использование пространственного сканирования измерительной системой по двум ортогональным направлениям в плоскости, поднятой на 30 см над границей раздела сред, с шагом сканирования в 2 см позволило получить многомерный пространственно-частотный массив данных, состоящий из 26 х 23 х 256 = 153088 комплексных отсчета. Этот массив и являлся исходным для математической обработки данных с целью проведения подповерхностной томографии.
рис. 9 представлено сечение полученной так томограммы на уровне расположения тестового объекта.
Х
Рис. 8. Камера для измерений и тестовый объект
Полученные волновые проекции объекта были подвергнуты пространственно-временной фокусировке с использованием модифицированного быстрого трехмерного фурье-преобразования. Важно заметить, что предлагаемая операция широко известна в теории обработки временных сигналов как согласованная фильтрация. Использование её в частотном представлении приводит к существенному повышению временной локализации сигнала. В настоящей работе эта операция расширяется в пространственную область. Следствием её применения является и пространственная, и временная фокусировка. В радиолокации предложенный подход применяется давно и известен как SAR-технология. Но обычно он применяется только в частотной области, а фокусировка осуществляется на бесконечно удаленную точку. В настоящей работе этот подход сочетается с временной обработкой, а область фокусировки находится в зоне Френеля. На
Рис. 9. Томограмма подповерхностного тестового объекта
Из сопоставления формы реального объекта и восстановленной его томограммы можно утверждать, что достигнутое нами разрешение имеет порядок 3 см. Эта величина близка к предельно достижимой при выбранной рабочей полосе частот. Предложенный подход к проведению трехмерной томографии может найти применение в георадарах и медицинской диагностике.
Разработанная технология получила развитие при создании макета импульсного сверхширокополосного радара для аэрокосмического зондирования лесных покровов Земли (рис. 10). Спектр зондирующего импульса занимал полосу от 0,5 до 3,5 ГГц. Испытания сверхширокополосного радиолокатора были проведены на полигоне Института леса им. В.Н.Сукачева Красноярского НЦ СО РАН. Получен ряд новых результатов об электрофизической структуре леса как сложной случайно-неоднородной среды.
Разработанные радиофизические методы голографии и томографии продолжают развиваться на кафедре радиофизики и найдут применение в перспективных системах аэрокосмического мониторинга земной поверхности, подповерхностного зондирования и медицинской диагностики.
Рис. 10. Импульсный сверхширокополосный радар для зондирования леса
1. Magazinnikova A.L., Yakubov V.P. Atténuation of coherent radiation in forest régions // Microwave and Optical Technology Letters. 1998. V.19. No. 2. P. 164-168.
2. Yakubov V.P., Masharuev M.L. Method of Double Focusing for Microwave Tomography // Microwave and Optical Technology Letters. 1996. V.13. No. 4. P. 187-189.
3. Yakubov V.P., LosevD.V. Decision of 2D passive tomography problem // Proceedings SPIE. 1997. V. 3171. P. 128 - 135.
4. Беличенко В.П., Буянов Ю.И., Кошелев В.И., Плиско В.В. О возможности расширения полосы пропускания малогабаритных излучателей // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 2. С. 178-184.
5. Булахов М.Г., Буянов Ю.И.. Якубов В.П. Поляризация поля интерференции при отражении электромагнитной волны от границы раздела сред // Изв. вузов. Физика. 1996. № 10. С. 65-70.
6. Патент на изобретение № 2153742 от 27.07.2000 г. Широкополосная антенна / Ю.В. Бульбин, Ю.И. Буянов, А.А. Винокуров и др.
7. Патент на изобретение № 2193265 от 20.11.02 г. Активная петлевая антенна (варианты) / Ю.В. Бульбин, Ю.И. Буянов, А.А. Винокуров и др.
8. Патент на изобретение № 2111584 от 20.05.98 г. Широкополосная антенна / Ю.В. Бульбин, Ю.И. Буянов, В.Н. Дирин и др.
9. Кошелев В.И., Сарычев В. Т., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Оценивание информационных характеристик радиолокационных объектов при сверхширокополосном зондировании // Журнал радиоэлектроники. 2001. № 6. http://jre.cplire.ru/win/jun01/1/text.html.
10. Кошелев В.И., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Восстановление формы объектов при малоракурсной сверхширокополосной радиолокации // Радиотехника и электроника. 1999. Т.44. № 3. С.301-304.
11. Кошелев В.И., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Использование метода генетических функций для восстановления формы объектов в малоракурсной сверхширокополосной радиолокации // Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. № 12. С. 1470-1476.
12. Магазинникова А. Л., Якубов В.П. Дуальный механизм распространения радиоволн в условиях леса // Радиотехника и электроника.
1999. Т.44. № 1. С. 5-9.
13. Якубов В.П., Славгородский. С.А. Модель радиоволнового томографа // Журнал радиоэлектроники. 2001. № 10. http://jre.cplire.ru/win/oct01/6/text.html.
14. Якубов В.П. Доплеровская сверхбольшебазовая интерферометрия. Томск: Водолей, 1997. 240 с.
15. Якубов В.П. Сверхразрешение и пространственная фильтрация помех в многолучевых полях // Радиотехника и электроника. 1995. Т.40. № 5. С. 766-761.
16. Якубов В.П. Узкополосная сверхбольшебазовая радиоинтерферометрия в космических исследованиях. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1996. 246 с.
17. Якубов В.П., Ковтун С.Н., Лосев Д.В. Радиофизическая диагностика уровня радиоактивности // ДАН СО АН ВШ. 2000. Т.1. № 1. С. 92-99
18. Якубов В.П., Литвинов С.Г. Малобазовый спектральный анализ многолучевых полей // Изв. Вузов. Физика. 1995. № 6. С. 82-86.
19. Якубов В.П., Лосев Д.В. Использование некогерентного излучения для томографии сред с поглощением // Журнал радиоэлектроники.
2000. № 9. http://jre.cplire.ru/win/sep00/3/ text.html.
20. Якубов В.П., Лосев Д.В., Мальцев А.И. Диагностика нелинейностей по возмущениям рассеянного поля // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43. № 7. С. 645-651.
21. Якубов В.П., Лосев Д.В., Мальцев А.И. Использование сверхширокополосного излучения для диагностики нелинейностей // Журнал радиоэлектроники. 2000. № 3. http://jre.cplire.ru/win/mar00/1/text.html.
22. Якубов В.П., Машаруев М.Л. Метод двойной фокусировки для когерентной томографии неоднородных сред // Изв. вузов. Физика. 1997. № 4. С. 87-92.
23. Якубов В.П., Машаруев М.Л., Славгородский С.А. и др. Микроволновая томография неоднородных сред // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т.10. № 12. С. 1500-1507.
24. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Чуйков В.Д. и др. Векторная структура излучения, отраженного лесным покровом Земли // Журнал радиоэлектроники. 2000. № 12. http://jre.cplire.ru/win/dec00/1/text.html.
