CC BY
12
Щ SCIENCE TIME Щ
(jj II < 5л ' 1-1Ф -1 щг 1 - 4_W JT |Г1 1 r^g) ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТА Титов Владислав Андреевич, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск E-mail: vlad_titov1993@mail.ru
Аннотация. Данная статья посвящена проверки корреляционного метода измерения скорости при помощи пассивной локации. Рассмотрен корреляционный метод измерения скорости и принцип построения радиометрического датчика. Проведен эксперимент для проверки работоспособности данного метода.
Ключевые слова: скорость, радиометр, излучение, корреляция.
Введение
Суть корреляционного метода состоит в измерении временной задержки между сигналами, приходящими на разнесенные вдоль оси объекта антенны. Эти сигналы одинаковы по форме, но смещены во времени относительно друг друга. Для измерения этого сдвига в тракт сигнала, принятого передней антенной, вводится задержка и осуществляется слежение за максимумом функции взаимной корреляции (ВКФ) принятых сигналов. При этом по величине задержки, соответствующей максимуму ВКФ, однозначно определяется путевая скорость объекта. Для реализации корреляционного метода измерения скорости необходимо иметь несколько каналов приема, которые будут принимать радиотепловое излучение объектов. Если две слабо направленные антенны размещены так, что одна строго «следует по следу» другой, то обе зафиксируют практически одни и те же колебания радиотеплового поля.
Параметры радиометрического датчика
Известно, что основой радиометрического измерителя является высокочувствительный, широкополосный приемник. Основные параметры приемника: полоса пропускания линейного тракта (до детектора) А/, коэффициент шума К^ коэффициент усиления G и т.п. - должны быть
согласованы с необходимой разрешающей способностью радиометра по минимальному измеряемому температурному контрасту АТГ и временем измерения (интегрирования) ts. Это согласование устанавливается следующим известным соотношением:
т
-*- А7
AT =
LN
(1)
(Af ts + (AG / G)2)1/2
где TN - шумовая температура приемника радиометра, которая связана с его коэффициентом шума KN соотношением: tn = To (Kn -1) ; AG / G -
нестабильность коэффициента усиления приемника.
Величину AG / G можно считать пренебрежимо малой в стабилизированных радиометрических приемниках. В этом случае (при AG / G = 0), можно найти оптимальное значение полосы пропускания приемника
радиометра: Af = (TN / ATr)2 / ts.
Необходимое время измерения ts накладывает ограничения на выбор полосы пропускания приемника по НЧ (полосы ФНЧ) AF = 1.5 / ts. При этом минимальное значение ts определяется максимальным значением измеряемой скорости, а также величиной разноса антенн радиометров d0 - в пространстве ts
min d0 / Vmax.
Например, при Vmax = 50 м/сек и d0 = 0.5м, величина AF = 150 Гц. Полагая AG / G = 0, с учетом шумовой температуры антенны радиометра TA, выражение (1) для его разрешающей способности (чувствительности) запишется в виде:
ATm = a(TA + Tn WAF / Af , (2)
где a - коэффициент, зависящий от типа применяемого радиометра; Trm = TA + TN - шумовая температура радиометра.
Информационной величиной в радиометре является мощность принимаемого сигнала:
Prm к Trm Af,
о ^
где к = 1,38 • 10- - постоянная Больцмана.
Для достаточно точного измерения радиотеплового излучения различных типов объектов, расположенных на земной поверхности, необходимо, чтобы чувствительность радиометра составляла величину ATrm < 2.50 К. В результате из выражения (2) для приемника с коэффициентом шума, равным KN = 2.5, полоса пропускания приемника радиометра будет составлять величину не менее Af > 140 МГц. Данные значения коэффициента шума и входной полосы легко реализуются в современных приемниках, что подтверждает возможность
| SCIENCE TIME |
достаточно простой реализации РМ КИС [1].
Разработка радиометрического датчика
Для проверки корреляционного метода измерения скорости объекта необходимо разработать радиометрический датчик. Радиометрический датчик должен состоять из готовых блоков и обладать наименьшей стоимостью. Определимся с диапазоном входных частот. Частотный диапазон выбирается исходя из
- помеховой обстановки;
- реализуемости антенны;
- наличия доступных СВЧ модулей на этот диапазон.
Серийно выпускаемыми СВЧ модулями с низким коэффициентом шума являются спутниковые приёмные конвертеры. Диапазон вещания спутниковой связи обычно свободен от помех. В соответствие с регламентом для систем спутниковой связи выделено несколько диапазонов частот, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита. Наименование диапазона и полоса частот приведены в табл.1.
Таблица 1
Наименование диапазона и полоса частот спутниковой связи
Наименование Полоса частот, ГГц
L-диапазон 1,452-1,550 и 1,610-1,710
S-диапазон 1,93-2,70
C-диапазон 3,40-5,25 и 5,725-7,075
X-диапазон 7,25-8,40
Ku-диапазон 10,70-12,75 и 12,75-14,80
Ка-диапазон 15,40-26,50 и 27,00-30,20
Из всех диапазонов наиболее привлекательным является Ku-диапазон. В этом диапазоне соотношение цены модуля и длины волны оптимальное. Входом спутникового конвертора является круглый волновод с большой шириной диаграммы направленности. Как известно из [1], чем меньше ширина диаграмм направленности, тем точнее результаты измерений. Для уменьшения ширины диаграммы направленности, промоделируем и изготовим рупорную антенну. На рисунке 1 изображены параметры конического рупора, полученные при моделировании в CST Microwave Studio.
«
I SCIENCE TIME I
Main lobe magnitude = 19.4 dBi Main lobe direction = 180.0 deg, Angular width (3 dB) = 18.1 deg.
Рис. 1 Параметры конического рупора
Из рис.1 видно, что конический рупор на центральной частоте имеет коэффициент усиления 19,4 дБи, ширину диаграммы направленности по 3 дБ 18,1 По рассчитанным размерам изготовим рупор. Материалом для корпуса антенны послужит луженная жесть.
Известно, что приемный конвертор осуществляет перенос спектра частот с более высоких на более низкие и обеспечивает фильтрацию по соседнему и зеркальному каналу. Как обсуждалось в пункте 1, необходимо задать полосу частот (для измерения радиотеплового излучения) и продетектировать огибающую сигнала для дальнейшей обработки. Спутниковые конверторы не обладают детекторным каскадом. В связи с чем, возникла необходимость в разработке еще одного блока радиометра, назовем его устройством детектирования. Данный блок содержит усилитель, полосовой фильтр, детектор и операционный усилитель. Составим структурную схему радиометрического датчика. Структурная схема изображена на рис.2.
Конвертор
Рис. 2 Структурная схема радиометрического датчика: А - антенна; ИП - источник питания; Ат - аттенюатор; У - усилитель; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; УРЧ - усилитель радиочастоты; Г - гетеродин; ДопУ - дополнительный усилитель; СМ - смеситель; ПФ - полосовой фильтр; Д - детектор; ФНЧ - фильтр низкой частоты; ФВЧ - фильтр высокой частоты; ОУ - операционный усилитель; УО - устройство отображения
»
258
| SCIENCE TIME |
Кратко поясним принцип работы радиометра. Антенна фокусирует и передает энергию на вход малошумящего конвертора (KN = 0,5^1дБ). В конверторе происходит усиление и фильтрация сигнала, а также осуществляется перенос спектра частот из Ku-диапазона в S диапазон. В устройстве детектирования сигнал усиливается до необходимого уровня, полосно-пропускающий фильтр из комбинации ФНЧ и ФВЧ ограничивает полосу пропускания до Д/> 500 МГц. Далее сигнал поступает на детектор, происходит детектирование огибающий и усиление уровня сигнала операционным усилителем, который одновременно служит высокоомной нагрузкой для детектора. Усиленный сигнал поступает на АЦП. АЦП имеет разрядность 12 бит и частоту дискретизации 24 кГц.
Предположим, что автомобиль длиной 4 м со скоростью 50 км/ч проезжает мимо одной антенны за 288 мс. Одно измерение АЦП проводит раз в 42 мкс, разделив 288 мс на 42 мкс, получим 6857 точек. Полученного количества точек с запасом хватит для того, чтобы во время преобразования АЦП не потеряло сигнал в шумах.
Эксперимент
Суть эксперимента заключалась в расположение двух радиометров на некотором расстоянии относительно друг друга. Объект, находившийся в зоне диаграммы направленности радиометров, создавал некоторое возмущение радиотеплового фона. На рисунке 3 изображен макет радиометрического датчика.
Рис. 3 Макет радиометрического датчика
Исходные данные об измерениях излучения, полученные из АЦП, не имели наглядности по причине того, что два канала датчика имели различные коэффициенты передачи (следовательно, и уровни на графиках). Этот факт не
| SCIENCE TIME |
позволил увидеть изменения в амплитуде излучения. Нормировка данных относительно средней величины позволила привести два массива данных к одному уровню, но высокочастотные шумовые помехи стали наиболее заметны. Для фильтрации высокочастотной составляющей сигнала применено преобразование Хаара (разбиение массива данных по парам и нахождение их полусумм/полуразностей). Нахождение полусумм является аналогом фильтра низких частот, а нахождение полуразностей - фильтром высоких частот. Применив нормировку и преобразование Хаара, получим наглядные графики.
На рис.4 изображены нормированные и преобразованные графики радиотеплового излучения автомобиля.
Радиотепловое излучение от автомобиля 0,01 й £
^шИЯН в Я п Н_ _ЯЛ
Нормированная аг сигнала, един О ' о Р о Р о о н> о о М оп 1-* Он с 1 69 137 205 273 341 409 477 545 613 681: ГО Г^ 1Л го 01 Г4- 1Л »Н СО 1Л ЛЖОО 1Л ГЧ| О! Ш ГЧ| О! ш 1ю оо тНо тЧ гч1 гч1 го ^ щ ннннниннн
Отсчеты времени, единицы
Рис. 4 График радиотеплового излучения автомобиля
Из рис.4 видно, что графики показывают состояние радиотеплового фона до, во время и после проезда автомобиля. Две последовательности сдвинуты во времени на расстояние, пропорциональное расстоянию между антеннами. Таким образом, если найти временную задержку, взяв свертку двух последовательностей, и отыскать максимум временной корреляционной функции, можно определить скорость объекта. Корреляционный метод позволяет определить скорость объекта без использования дорогостоящих передатчиков, что снижает цену системы и упрощает ее конструкцию. Отсутствие излучения исключает пагубное воздействие на организм человека, а также использование радаров детекторов. Данный метод имеет ряд плюсов и вполне может использоваться для контроля скорости движения объектов автомобильного трафика.
-•
| SCIENCE TIME |
Литература:
1. Расторгуев В.В., Шнайдер В.Б. Радиометрический измеритель скорости движения транспортных средств, Москва: МАИ, 2010.
