CC BY
106
ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ
С. С. Нечаев, с.т.с., к. т. н.
Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского
и Ю. А. Гагарина (г. Воронеж) С. Ю. Анисимов, к. т. н.
Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж
Актуальность проблемы увеличения информационных потоков определила быстрое развитие в последние годы технологий, использующих сверхширокополосные (СШП) сигналы. К сверхширокополосным относятся системы и сигналы, имеющие 0,25 < ц < 1, где ц определяется по формуле:
Л С^верх - ^лиж^^верх + ^?ниж) (1)
И хотя это определение не охватывает всего многообразия сверхширокополосных систем и сигналов, оно в настоящее время используется большинством разработчиков [1]. Проблема перехода к СШП сигналам особенно актуальна для комплексов подповерхностного обнаружения объектов. Дело в том, что обычные комплексы с полосой частот, не превышающей 10 % от несущей частоты, позволяют только обнаружить скрытый под поверхностью объект и выдать его координаты (с относительно невысокой точностью), но без дополнительного усложнения не позволяют получить образ объекта или его изображение, что имеет существенное значение для решения ряда практических задач, особенно в интересах МЧС. Чтобы повысить информативность комплексов подповерхностного обнаружения иногда вводится, так называемый, режим распознавания типа объекта, который еще не дает его изображение, но позволяет по некоторым признакам («портрету») после соответствующей обработки получить дополнительную информацию. Переход к этому режиму уже требует существенного увеличения полосы частот комплекса подповерхностного обнаружения и, как следствие, новых подходов, как в методах, так и в технологиях. Дальнейшее увеличение полосы частот и переход к СШП сигналам, позволяет еще больше увеличить количество информации об объекте и перейти к получению его радиоизображения. Повышение информативности комплека подповерхностного обнаружения при использовании сигналов со сверхширокой полосой частот происходит благодаря уменьшению импульсного объема по дальности.
Однако процесс радиолокационного наблюдения при использовании СШП сигналов значительно отличается от аналогичного процесса при использовании традиционных узкополосных сигналов. Это происходит в тех случаях, когда пространственная длительность сигнала становится меньше апертуры антенны или размеров объекта. Отличия и особенности проявляются практически на всех этапах: при формировании СШП сигнала, его излучении, отражении от объекта, приеме и обработке [2].
Основными из этих отличий являются:
• изменение формы радиолокационного сигнала в процессе наблюдения за объектом. В традиционном, узкополосном комплексе подповерхностного обнаружения сигнал, отраженный от объекта, остается по своей форме близким к излученному сигналу. В СШП комплексе подповерхностного обнаружения сигнал существенно изменяется при излучении, отражении от объекта и приеме. В результате форма принятого сигнала становится полностью неизвестной. Это не позволяет использовать традиционные методы согласованной обработки сигнала;
• зависимость характеристик антенны от формы сигнала и наоборот -формы сигнала в пространстве от угловых координат. Эта зависимость приводит к тому, что характеристики антенны по полю (ширина и положение главного луча, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления) изменяются во времени, становятся нестационарными. Форма диаграммы направленности приемной антенны зависит от направления на передающую антенну. Все это не позволяет использовать традиционные методы определения характеристик антенн. В тоже время появляется возможность управления характеристиками антенны путем изменения параметров сигнала;
• изменение величины эффективной поверхности рассеяния объекта во времени. В результате появляются трудности в использовании известных методов определения величина отраженного от объекта сигнала. Эта величина теперь зависит от вида обработки сигнала в приемнике радара;
• изменение формы канонического уравнения дальности для определения характеристик Обобщенная структурная схема СШП-комплекса подповерхностного обнаружения. Поскольку ряд величин, входящих в уравнение дальности, зависит от времени и от формы сигнала, то и дальность действия радиолокатора также становится связанной с этими параметрами. Использование традиционного уравнения дальности не позволяет определить характеристики СШП радара.
Указанные особенности и отличия создают трудности при расчете и проектировании СШП комплексов подповерхностного обнаружения, поскольку часто не позволяют воспользоваться существующей теорией и известными методами при формировании требований к радарам и их элементам. В результате методы проектирования и расчета СШП радаров, также как и методы их исследования значительно отличаются от методов, используемых в традиционных узкополосных системах. В этом плане применение в радиолокации СШП сигналов выливается в самостоятельное научно-техническое направление с собственными методами теоретического анализа и нетрадиционными схемотехническими решениями [3].
При приеме отраженных СШП сигналов субнаносекундной длительности используется стробоскопический метод масштабно-временного преобразования (МВП). Динамический диапазон современных МВП, имеющих полосу пропускания до 20 ГГц не превышает 35-40 дБ и дальнейшее увеличение полосы пропускания вместе с увеличением динамического диапазона представляет собой
самостоятельную труднейшую техническую задачу, требующую дополнительных разработок.
Принцип работы СШП комплекса подповерхностного обнаружения основан на методе ударного возбуждения пассивных излучающих структур. Достоинством метода является то, что единственным частотно-избирательным звеном в формирователе излучаемого сигнала является антенна, полоса пропускания которой существенно шире полосы современных активных усилительных устройств. При подаче на вход антенны достаточно короткого импульсного сигнала излученный сигнал по форме близок к ИХ антенны, он интегрируется и дифференцируется. При этом реализуется широкополосность > 1 электромагнитного воздействия и достигается длительность облучающего электромагнитного импульса порядка 30 пс. Воздействие имеет конечную длительность и определенную форму, поэтому, временная зависимость реакции объекта несет в себе не только информацию об импульсной характеристике (ИХ), но и о форме возбуждающего сигнала. Двухканальный стробоскопический приемник используется для масштабно-временного преобразования принимаемого СВЧ сигнала от генератора и сигнала отраженного от объекта без детектирования и для последующей обработки в АЦП и на ЭВМ.
С точки зрения сверхширокополосной радиолокации очень важную роль играет зависимость эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) от частоты или длины волны электромагнитного поля. Эту зависимость можно определить путем нахождения ИХ объекта, т. е. вычислением поля, рассеянного объектом при воздействии бесконечно короткого импульса напряженности электрического поля, несущего конечную энергию. Для вычисления ИХ объекта в первом приближении должны быть известны параметры воздействия и отклика от объекта. Вместе с тем излучаемый сигнал, сигнал рассеянный объектом, взаимодействуют с передающей, приемной антеннами, обладающими конечными полосами пропускания. Кроме этого есть воздействие различных помех и шумов. Таким образом, задача определения ИХ объекта связана с необходимостью исключения воздействия всех внешних по отношению к объекту факторов. После того, как амплитуда и форма зондирующего импульса «запомнена» в ОЗУ ЭВМ, один из каналов стробоскопического приемника свободен и отраженные сигналы могут приниматься двумя разнесенными антеннами. В такой конфигурации приемного устройства за счет высокой точности оценки дальности обеспечивается точная оценка углового положения локальных отражающих элементов объекта.
В состав стробоскопического преобразователя входят: стробгенератор, включающий генератор синхроимпульсов и систему автоматического сдвига строб импульса, смеситель, усилитель и расширитель. Генератор синхроимпульсов запускается синхронно с генератором излучаемого сигнала. Полученный сигнал подается на вход АЦП. Устройство развертки формирует управляющие импульсы, которые подаются на генератор и стробоскопический преобразователь. Устройство управления и обмена формирует команды для устройства развертки.
В накопителе осуществляется усреднение сигнала и передача его на АЦП. В АЦП трансформированный аналоговый сигнал кодируется и передается через буфер обмена в ЭВМ для последующей обработки.
В ЭВМ осуществляются следующие операции с сигналом: отображение на экране монитора; управление работой РИР; первичная обработка сигнала с использованием специального математического обеспечения (преобразование данных для печати, фурье- и wavelet- преобразование сигнала, томографическое преобразование и т. п.) [4,5].
Обобщенная структурная схема СШП- комплекса подповерхностного обнаружения приведена на рисунке 1. Элементы структурной схемы - линейные динамические звенья, описываемые соответствующими ИХ, несущими всю информацию и применительно к ИХ лоцируемого объекта инвариантными к изменению ориентации объекта, к виду зондирующего сигнала и его поляризации. Для анализа используется традиционный математический аппарат, основанный на преобразованиях Фурье и Лапласа.
s(t)
TP5
передающий тракт hi (t\\r|) 1 1 пространство прямого рас пр. h3(t,r)
1 Р 1 |
СШП измеритель | _ j
приемный тракт h2(Uvn) \ А 1 1 пространство ооратн. распр. h4(t,r)
ч 1 1 1
Пространство распространения
РЛЦ h (t,4>)
Детерминированный фон
hf(t,r)
Шум 11 ( t )
у(0
Рис. 1. Обобщенная структурная схема СШП-комплекса подповерхностного обнаружения
Передающий и приемный тракты СШП комплекса подповерхностного обнаружения состоят соответственно из передающего и приемного устройств, а также их антенных систем. Для учета пространственных характеристик, в ИХ соответствующих трактов входит зависимость от углов ц, V (V - угол азимута, ц - угол места) между электрической осью антенны и направлением на объект, ф - угол между нормалью плоскости сечения объекта и направлением на объект. Рассмотрим обобщенную структурную схему СШП-измерителя. В качестве ИХ приемного тракта примем временную зависимость напряженности электрического поля ьой поляризации Е р (;^,ц), падающего на объект. После нормировки поляризационная матрица принимает вид вектор-столбца, компонентами которого являются нормированные временные зависимости поляризационных компонент излучаемого сигнала:
Ы г (^,ц) = ,и,ц) ,и,ц)||, (2)
где Ы г (^,ц) = 2у[к гЕр [(; + г/с)^,ц]; i = 1,2; г - дальность от измерителя до объекта; с - скорость распространения эл. маг. волны.
По своим свойствам пространство распространения электромагнитной волны близко к свободному пространству и матрица ИХ пространства прямого и обратного распространения
h3(t, г) = h4(t, г) = h рг (t, г) =
где h рг (t, г) = §(: - г/с)/2 -у/л г; (т. к. матрица диагональная, то ее можно заменить скаляром).
Поляризационная матрица ИХ приемного устройства представляет собой вектор-строку:
Ь2(1,у,л) = \\И 2l(t, V, Л) к 2г($, V, Л)||, (4)
элементы которого из-за наличия антенны есть функции углов V и л.
Используя введенные импульсные характеристики, запишем выражение для детерминированной составляющей V (:) выходного сигнала приемного устройства:
V (0 = [Ы 7 (^,л) * h (t,ф) * h2(^,-л)]/4от2 = w (^,л) * h (t,ф), (5)
где * - обозначение операции свертки которая в матричном случае выполняется аналогично операции перемножения матриц; w (^л) - импульсная характеристика СШП-измерителя. Наряду с полезным, в приемном устройстве регистрируется детерминированный помеховый сигнал, который обусловлен фоновыми отражениями от элементов установки, расположенных на удалении рабочей зоны, например, от координатно-поворотного устройства (детерминированный фон - импульсная характеристика h5(t, г)).
Будем считать, что на выходе приемного устройства действует аддитивный шум, о котором имеется некоторая информация, в частности известна спектральная плотность средней мощности. Тогда выходной сигнал приемного устройства представляет собой реализации случайных процессов:
у ч п (:) = ^ ц (:,V,л) * h ц (:,ф)] + п (:), (6)
где п (:) - реализация ненаблюдаемого шума.
При этом уравнение идентификации, описывающее алгоритм комплекса подповерхностного обнаружения объектов со сверхширокополосными сигналами примет вид
уя(:) = [ *(t-Т)А(т)dт + п (:). (7)
На основании анализа соотношения (7) можно констатировать, что использование коротких импульсов в качестве зондирующих сигналов позволяет получить ряд преимуществ комплексов подповерхностного обнаружения объектов со сверхширокополосными сигналами перед традиционными узкополосными аналогами, а именно:
крг 11^, Г)
0
0
крг 22 (t, Г)
(3)
1. Повысить разрешающую способность по дальности без использования сложных алгоритмов сжатия сигнала.
2. Уменьшить уровень пассивных помех, что уменьшает вероятность ложных тревог и снижает требования к величине динамического диапазона приемника.
3. Разрешить отдельные блестящие точки крупных объектов и получить «портрет» обнаруживаемого объекта.
Таким образом, рассмотренные особенности функционирования комплексов подповерхностного обнаружения объектов с помощью сверхширокополосных сигналов показывают их несомненные преимущества перед узкополосными устройствами благодаря низкой спектральной плотности мощности сигнала, что влияет на стоимость выполняемых работ за счет упрощения передающей части и простоты реализации приемной части системы и повышает устойчивость к интерференции сигнала в условиях его многократных переотражений от окружающих предметов.
Список использованной литературы
1. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений / Л. Ю. Астанин, А. А. Костылев - М.: «Радио и связь», 1989. - 192 с.
2. Идентификация систем. [Текст] / Л. Льюнг. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1991. - 432 с.
3. Основы информационной теории идентификации / Я. З. Цыпкин - М.: Наука. 1984. - 320 с.
4. Современные методы идентификации / Под ред. П. Эйкхоффа. - М.: Мир. 1983. - 400с.
5. Решение инженерных задач на ЭВМ. Т. Шуп. Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 238с.
6. Дьяконов В. П. МаЙаЬ 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя - М.: СОЛОН-Прессю - 2003. - 576с.
МОНИТОРИНГ ПАРОГАЗОВОЗДУШНЫХ смесей горючих газов И ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР
НА ОСНОВЕ SnO2
Д. В. Русских, к. т. н. Воронежский институт ГПС МЧС России, г. Воронеж,
С. И. Рембеза, д. ф.-м. н., профессор
Е. А. Русских
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж,
Обнаружение парогазовоздушных смесей горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей в воздухе производственных помещений и промышленных территорий в концентрациях, значительно меньших взрывоопасных, и их
