Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием одиночных сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов и может быть использовано при зондировании нескольких, близкорасположенных объектов, например слоев асфальтового покрытия. Способ заключается в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал, интегрируют его N-1 раз в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности разрешающей способности СШП зондирования. 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов длительностью Т и может быть использовано при зондировании нескольких объектов, расстояние между которыми L сопоставимо с сТ, где с - скорость света в среде, т.е. в условиях, когда сигналы, отраженные от нескольких объектов исследования, накладываются друг на друга. Такая проблема возникает, например, при зондировании подповерхностных слоев грунта, в частности многослойного асфальтового покрытия дорог.

Известно [1], стр.24, что любой сигнал S(t), который может быть излучен антенной, должен удовлетворять условию: в том числе одиночный многолепестковый зондирующий радиолокационный СШП сигнал.

При СШП радиолокационном зондировании нескольких близкорасположенных объектов исследования возникает проблема разрешения сигналов, принятых от одного и другого объектов. Эта проблема усугубляется наличием помех, несовершенством приемо-передающей аппаратуры и множеством других факторов.

Традиционным способом предварительной обработки радиолокационного сигнала, отраженного от объекта исследования, является его детектирование - выделение низкочастотной функции - амплитудной (комплексной) огибающей радиоимпульса. При работе с СШП сигналами амплитудная огибающая СШП сигнала, полученная при помощи преобразования Гильберта, не всегда корректно отображает особенности его формы [1] стр.17. При этом не реализуется потенциально высокая разрешающая способность СШП сигналов.

Известен [2] Патент RU 2141674 - способ радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, одной антенной излучают импульс, принимают этот импульс другой - удаленной антенной, принятый импульс задерживают, переизлучают и принимают антенной, расположенной в месте первичного излучения. Этот способ позволяет разнести во времени сигналы, полученные от антенны и от окружающих ее конструктивных элементов. При таком способе проблема разрешения решается за счет временного разнесения отраженных сигналов.

Недостатком такого способа является ограниченная область применения, связанная с тем, что возможность искусственного разнесения во времени отраженных сигналов от нескольких объектов исследования возникает редко.

Наиболее близким к заявляемому способу является [3], заключающийся в том, что излучают N-лепестковый, зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Для решения задачи разрешения определяют:

- сигнал прямого прохождения от излучающей к приемной антенне (при зондировании открытого пространства), который вычитают из принятого сигнала при последующих зондированиях среды;

- сигнал полного отражения при зондировании металлического листа, который используют для калибровки последующих зондирований.

Из сигнала, полученного от объектов исследований, вычитают сигнал прямого прохождения. Затем поочередно обнаруживают наиболее близкий отклик, и с учетом ослабления известного сигнала полного отражения вычитают его из принятого сигнала. Таким образом, теоретически возможно разрешить принятые сигналы.

Недостатком данного способа является низкая точность. Во-первых, сигнал, прошедший через среду, изменяет частотный спектр, а следовательно, не только амплитуду, но и свою форму. В результате оказывается неправомочным использовать сигнал полного отражения в качестве калибровочного. Во-вторых, рекурсивный характер обработки, при котором каждый новый объект обнаруживается по результатам обнаружения предыдущего, приводит к накоплению ошибок.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение разрешающей способности СШП зондирования, отраженных от близкорасположенных объектов, а следовательно, получение большего количества и лучшего качества информации от радиолокационного зондирования.

Для решения поставленной задачи в способе повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающемся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования, интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз, и используют результаты интегрирования для обнаружения и оценки сигналов от объектов исследования.

Существенным отличием заявляемого способа от прототипа является то, что при зодндировании N-лепестковым радиоимпульсом интегрируют отраженный сигнал в выбранном временном окне N-1 раз.

В прототипе используют операцию вычитания известных откликов из принятого сигнала.

Использование N-1 кратного интегрирования - линейного метода преобразования принимаемых сигналов, позволяет преобразовать их многолепестковую временную структуру в однолепестковую. На фиг.1 показано, что трехлепестковый радиоимпульс после однократного зондирования становится двухлепестковым, а после второго интегрирования - однолепестковым. Если бы такой импульс мог быть излучен антенной, то задача разрешения близкорасположенных объектов значительно упростилась. Интегрирование принятого сигнала для линейной системы эквивалентно интегрированию входного сигнала. Таким образом, интегрирование выходного сигнала значительно упрощает разрешение близкорасположенных объектов.

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы.

Фиг.1 - результаты последовательного интегрирования трех лепесткового сигнала.

Фиг.2 - парциальные сигналы, отраженные от трех объектов.

Фиг.3 - суммарный сигнал, отраженный от трех объектов.

Фиг.4 - результат однократного интегрирования отраженного сигнала.

Фиг.5 - результат двухкратного интегрирования отраженного сигнала.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.

При радиолокационном зондировании могут использоваться одиночные радиоимпульсы с малым числом временных лепестков N=2-5, например трехлепестковый импульс S(t), изображенный на фиг.1. Такие сигналы обладают СШП спектром. Их обработка возможна в частотной или во временной области. В обоих случаях необходимо обнаружить сигналы, отраженные от объектов исследования, оценить их амплитуду, полярность, временное положение и другие параметры. Такие зондирования используются, например, при исследовании слоев дорожного покрытия. При этом объектами исследования являются границы слоев покрытия, отражающие зондирующий сигнал и обладающие разными диэлектрическими проницаемостями ε. В зависимости от соотношения диэлектрических проницаемостей ε сред отраженные сигналы могут иметь разную полярность.

Если объекты исследования (слои дорожного покрытия) расположены близко друг от друга, то отраженные сигналы накладываются друг на друга. На фиг.2 показаны парциальные сигналы S_3i(t), (i=1, 2, 3), отраженные от трех разных слоев. Каждый из них имеет свою амплитуду и форму. Сигнал S₃₂(t) имеет обратную полярность. Суммарный отраженный сигнал S₃(t)=S₃₁(t)+S₃₂(t)+S₃₃(t), фиг.3, малопригоден для анализа. Для решения задачи разрешения можно уменьшить длительность зондирующего сигнала S(t), однако это приведет к неоправданному возрастанию стоимости разработки или к технической нереализуемости.

Однократное интегрирование отраженного от объектов сигнала фиг.4 не решает проблему разрешения, а повторное интегрирование фиг.5, позволяет достаточно точно оценить, как временное положение, полярность и амплитуду отраженных сигналов. Указанная оценка может быть получена визуально или с использованием компьютера.

Заметим, что при помощи предлагаемого линейного преобразования восстановление соотношения амплитуд парциальных сигналов и расстояния между ними возможно даже в случае, когда сигналы задержаны относительно друг друга на время, меньшее длительности периода центральной гармоники спектра сигнала, т.е. в условиях реализации потенциальной разрешающей способности по дальности [4].

Таким образом, заявляемый способ позволяет при СШП радиолокационном зондировании обнаружить объекты исследования, приближаясь к потенциальной разрешающей способности.

Рассмотрим возможность практической реализации заявляемого способа. На фиг.6 изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ, где:

1. Генератор СШП сигнала.

2. Передающая антенна.

3. Приемная антенна.

4. Исследуемая многослойная среда.

5. Стробоскопический приемник.

6. Управляемая линия задержки.

7. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

8. Компьютер.

По сигналу от компьютера 8 запускается генератор СШП сигнала 1, который излучается антенной 2. СШП сигнал, отраженный от исследуемой многослойной среды 4, поступает в антенну 3. Управляемая компьютером 8 линия задержки 6 запускает стробоскопический приемник 5, который выделяет одну мгновенную амплитуду отраженного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 7 преобразует эту величину в код, который считывается компьютером 8. Частота запуска генератора 1 может составлять десятки килогерц, что не требует высокого быстродействия АЦП 7. Величина задержки 6 задает окно приема и положения точки отсчета в нем. Многократно повторяя измерения, можно усреднить значения этого отсчета отраженного сигнала, а изменяя величину задержки, - получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне с точностью до масштабно-временного преобразования. Таким образом, в результате многократного зондирования в памяти компьютера 8 сохраняются мгновенные амплитуды отраженного сигнала в окне приема. Интегрирование полученных цифровых отсчетов производится путем последовательного суммирования отсчетов, а многократное - последовательным применением этой процедуры. На фиг.1-5 по оси абсцисс отложены номера отсчетов СШП сигнала. Полученные результаты интегрирования могут быть обработаны оператором визуально, либо известными методами обработки в компьютере 8.

Таким образом, предлагаемый способ технически реализуем и позволяет повысить разрешающую способность радиолокационного сверхширокополосного зондирования.

Список использованной литературы

1. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.: ил.

2. Патент RU 2141674.

3. Патент FR 2626666.

4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - 608 с.

Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N=2, 3, 4, 5..., непрерывно принимают отраженные сигналы в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, отличающийся тем, что зондирование объекта исследования N-лепестковым радиоимпульсом осуществляют многократно, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема с возможностью получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне и положения точки отсчета в нем, интегрируют полученные отсчеты отраженного сигнала в выбранном временном окне приема N-1 раз, преобразуя N-лепестковую временную структуру сигнала в однолепестковую, обеспечивающую разрешение близкорасположенных объектов исследования, используют результаты интегрирования для обнаружения объектов исследования, измерения и оценки параметров сигналов от объектов исследования.