Радиоволновая томография с использованием принципа тактированных решеток

• Автор: Сатаров, Раиль Наилевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 149 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Обзор, существующих технических средств обнаружения
1.1 «Rescue Radar LS-RR02»
1.2 «Пикор Био»
1.3 «Prism 200»
1.4 Георадар-обнаружитель "АБ-400СН"
1.4 «Дашшк-5»
1.5 «Xaver 800»
1.6 «3D Radar»
1.7 «Кондор»
Глава 2 Методы обработки результатов измерений
2.1. Решение прямой и обратной задачи
2.2 Двухтактная фокусировка
2.3 Групповая фокусировка
2.4 Оценка пространственного разрешения
2.5 Решение задачи фокусировки при зондировании через преграду
2.5.1 Решение без учета преломления
2.5.2 Решение задачи с учетом преломления
2.6 Моделирование задачи зондирования диэлектрической преграды СШП сигналом
2.7 Определение параметров диэлек трической преграды
2.8 Выводы
Глава 3 Экспериментальная апробация разработанных методов с использованием кругового механического сканирования
3.1 Численный эксперимент
3.2 Натурный эксперимент
3.3 Обнаружение движения при круговом сканировании
3.4 Регистрация колебаний, характерных для дыхания человека
3.5 Выводы
Глава 4 Двумерная тактированная СШП антенная решетка
4.1 Оптимизация расположения приемоперсдающих элементов в эквидистантной антенной решетке
4.2 Оценка пространственного разрешения при линейном сканировании
4.3 Эксперимент по обнаружению движения при линейном сканировании
4.4 Блок коммутации каналов
4.4 Тактированная линейная антенная решетка
4.5 Моделирование фокусирующего рефлектора
4.6 Оптимизация фокусирующего рефлектора
4.7 Выводы
Глава 5 Планарная тактированная СШП антенная решетка
5.1 Оптимизация расположения приемопередающих элементов в планарной тактированной антенной решетке, с длительностью зондирующего импульса 200 пс
5.2 Схема радиотомографа с зондирующим импульсом на 200 пс
5.3 Натурный эксперимент по восстановлению формы объектов
5.4 Оптимизация расположения приемопередающих элементов в планарной тактированной антенной решетке, с длительностью зондирующего импульса 100 пс
5.5 Схема радиотомографа с зондирующим импульсом на 100 пс
5.6 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Последнее время в области радиофизики наметился большой интерес к проблемам радиолокации объектов, скрытых за различными преградами. Прежде всего, это вызвано проблемами обеспечения безопасности при проведении спецопсраций, например по обезвреживанию террористов, скрывающихся в зданиях. Положение особенно осложняется при захвате заложников, когда точное определение наличия людей и их состояния является насущной проблемой. Не менее перспективным направлением сверхширокополосной радиолокации является создание радиолокаторов малой! дальности для обнаружения людей! в завалах Использование высокой несущей частоты в сверхшпрокополоспых системах (3 — 10 ГГц) дает возможность конструировать направленные сверхширокополосныс антенны, габариты которых не превышают 20-30 см, что позволяет изготавливать портативные автономные приборы, пригодные для использования одним человеком. Такие радиолокаторы позволяют по мельчайшим движениям, характерным для человека, определять его наличие за оптически непрозрачными преградами.
Обнаружение пустот и различных подслушивающих устройств в стенах и строительных конструкциях - также важная задача. Можно ещё больше расширить список ситуаций, когда необходима визуализация скрытых объектов. Например в досмотровых системах безопасности. Использование рентгеновских установок не всегда допустимо. Более безопасным средством является использование радиоволн. В работе используются сверхширокополосныс (СШП) сигналы, что обусловлено их преимуществами относительно узкополосных, а именно: существенно более высокое разрешение, увеличение полосы пропускания позволяет СШП радарам получать больше информации о цели, благодаря этому стало возможным не только обнаружение, но и распознавание малоразмерных частей объектов, что позволяет получать, так называемый, «портрет цели». Коротко-импульсные сигналы позволяют эффективно бороться с проблемами многолучевого распространения и приема. Это приводит к более стабильной работе капала радиосвязи или радара в условиях, при которых работа узкополосных радаров невозможна.
Настоящая работа основана на использовании оригинальных результатов собственных исследований автора по СШП томографии [1-14]. Выбор темы и методов исследований продиктован стремлением дальнейшего развития известных результатов предшествующих отечественных [15-23] и зарубежных [24-53] работ.
Огромное количество уже существующих методов дифракционной томографии
[54-72] не всегда способны решать задачи для систем безопасности. Решение
подобных специфических п нестандартных задач обнаружения объектов требует

создания и разработки специального математического аппарата, с использованием активной локационной томографией
Целью диссертационной работы ставится создание бесконтактной томографической системы радиовидения на основе развития технологии тактированной антенной решетки, использующей СШП излучение, и метода синтезирования большой апертуры совместно с фокусировкой.
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи диссертационной работы:
1. Разработка методики и алгоритмов проведения радиолокационных измерений с использованием СШП импульсных сигналов без несущей.
2. Разработка метода бесконтактных СШП радиолокационных измерений для определения коэффициента преломления и толщины диэлектрической преграды в виде плоского слоя.
3. Разработка метода фильтрации СШП сигналов, отраженных от неподвижных объектов, с целью выделения движения человека за диэлектрической преградой.
4. Разработка метода регистрации колебаний, характерных для дыхания человека.
5. Определение необходимых требований для создания радиоволнового томографа на основе использования технологии тактированных антенных решеток применительно к СШП излучению.
6. Построение и испытание действующих макетов тактированных антенных решеток для радиоволнового томографа.
7. Создание специализированного программного обеспечения для управления разработанными макетами тактированных антенных решеток.
8. Разработка программного обеспечения для восстановления томограмм с использованием разработанных макетов тактированных антенных решеток.
9. Комплексное тестирование разработанного программно-аппаратного комплекса для выполнения СШП томографии на тестовых объектах.
Методы исследования.
При разработке алгоритмов обработки радиолокационных сигналов использовались методы синтезирования большой апертуры и пространственно-временной фокусировки, а также известные методы статистической радиофизики для приема сигналов в условиях шумов. Численное моделирование, регистрация и обработка данных проводились в средах CST Microwave Studio, MathCad и Matlab. Экспериментальная часть работы основана на использовании сканеров, СШП антенн и решеток из них, разработанных при активном участии автора диссертации на кафедре радиофизики радиофизического факультета Томского государственного университета. В качестве инструмента для проведения экспериментальных

Рисунок 2.5 — Фокусировка измеренных значений поля при синтезировании
апертуры
тт (х„ = 0, )
Пусть в точке 4 “ расположен единственный точечный рассеиватель,
создающий рассеянное поле, которое в точке приёма х с точностью до постоянных множителей имеет следующий вид: [21]
ехр(/2 кг)
и(х) =
где * “а — расстояние от точечного рассеивателя до текущей точки измерения рассеянного поля.
Операция синтезирования апертуры в этом случае аналитически записывается

У(ху,2у) = | и(х)ехр -2/АцДх-Ху) +Ду
-в/2 Г (

сіх —

^х2+и02 -^(х-Ху)2+Ду2 1 ---------------------- -сіх

-В/2 Г
(х 2 ]
где ' {> - точка фокусировки; В - размер синтезируемой апертуры (размер
области перемещения антенн); неопределенности.
у(хр2/)
фактически и является функцией