Способ формирования радиопортрета объекта одним детектором и устройство для его реализации

Изобретение относится к области радиовидения и может быть применено для обнаружения предметов в миллиметровом диапазоне волн под одеждой человека, в таможенном контроле грузов, в дистанционном зондировании земной поверхности, в охранных системах, работающих в условиях плохой видимости. Достигаемым техническим результатом изобретения является упрощение конструкции системы радиовидения и сокращение времени формирования изображений. Заявленный способ заключается в том, что излучения всех элементов объекта, сфокусированных неподвижной антенной в предметной плоскости, модулируются функциями с различными для каждого элемента параметрами. Эти излучения одновременно поступают на детектор, выходной сигнал которого по определенному алгоритму разделяется на составляющие, соответствующие интенсивностям излучений элементов объекта, по значениям которых строится его оптическое изображение. Способ реализуется устройством, состоящим из неподвижной антенны, дискового модулятора излучений элементов объекта, расположенного в предметной плоскости антенны, рупора, выполненного с возможностью вращения относительно оси диска, служащего для приема и передачи модулированных излучений на вход детектора, генератора импульсов, служащего для подачи тактовых импульсов, и компьютера для обработки сигналов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области радиовидения и может быть применено для обнаружения предметов в ММ диапазоне волн под одеждой человека, в таможенном контроле грузов, в радиоастрономии для картографирования области неба и протяженных небесных объектов, в дистанционном зондировании земной поверхности, в охранных системах, работающих в условиях плохой видимости.

К настоящему времени известны способы формирования радиоизображений с помощью фокальной двумерной матрицы приемников, с использованием многоэлементного интерферометра, с помощью фазированных матриц.

Перечисленные способы реализуются сложными приемными системами, состоящими из множества элементов, что снижает надежность систем, а разброс параметров элементов, обусловленный внешними факторами и технологией их изготовления, влияет на качество радиоизображений.

Известен также способ механического сканирования с несколькими или единственным детектором, реализующийся в результате последовательного приема излучений элементов объекта и последующей компьютерной обработки принятого сигнала.

Наиболее близким аналогом является способ механического сканирования, реализованный с помощью приемной радиометрической системы, состоящей из антенны, радиометра и поворотного устройства, обеспечивающего сканирование по углу места и азимуту [1].

К недостатку способа можно отнести то, что изображение формируется при последовательном приеме излучений элементов объекта и что для его реализации требуются высокоточные механические поворотные устройства, способные обеспечить следующие режимы работы: разгон, равномерное движение, торможение, остановка, смещение по координате X или Y, изменение направления движения, повторение цикла.

Осуществление таких сложных движений механическим устройством требует больших затрат времени, что является вторым недостатком способа.

Технический результат заключается в том, что упрощается конструкция системы радиовидения за счет исключения поворотного устройства и, кроме того, в совокупности с параллельно-последовательным приемом излучений элементов объекта сокращается время формирования изображений.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования радиопортрета объекта одним детектором излучения всех элементов объекта переносятся в предметную плоскость, модулируются функциями с различными для каждого элемента параметрами, параллельно (одновременно) принимаются, разделяются на составляющие, соответствующие излучению каждого элемента, и преобразуются в оптическое изображение.

Способ формирования радиопортрета объекта одним детектором реализуется устройством (см. фиг.1), в котором прием излучений элементов объекта осуществляется неподвижной антенной (1), состоящим (кроме антенны) из дискового модулятора излучений элементов объекта (2), расположенного в предметной плоскости антенны, рупора (3), выполненного с возможностью вращения относительно оси диска, направленного перпендикулярно к плоскости диска, служащего для приема и передачи модулированных диском излучений элементов объекта на вход детектора (5), выход которого связан с входом устройства обработки сигнала (6), выполненного в виде компьютера, предназначенного для выделения составляющих, соответствующих интенсивностям излучений элементов объекта, преобразования значений интенсивностей излучения в оптическое изображение и формирования радиопортрета объекта, генератора импульсов (4), расположенного у кромки диска, служащего для подачи тактовых импульсов в устройство обработки сигнала.

Устройство работает следующим образом: излучение объекта (7) фокусируется антенной системой (1) в предметной плоскости, где расположен модулятор (2).

Конструктивно модулятор (2) представляет собой диск, поверхность которого разграничена на n кольцевых участков с номерами 1, …k, …,n (см. фиг.1). На каждом участке сделаны прорези. Количество прорезей на разных участках различно.

Диск вращается с постоянной скоростью относительно оси ОО антенной системы. В результате вращения диска излучения элементов объекта, соответствующие n участкам диска, будут модулированы функциями с различными параметрами. Излучения с одной элементарной области каждого участка через рупор (3) параллельно передаются на детектор (5), выходной сигнал которого обрабатывается по ниже приведенному алгоритму устройством обработки сигнала (6), выполненным в виде компьютера.

Рупор (3) вращается относительно оси оптической системы, что позволяет за один оборот принять излучения всех элементарных областей объекта.

Алгоритм обработки выходного сигнала детектора

Выходной сигнал детектора обрабатывается по алгоритму, схема которого показана на фиг.1 (позиция 6). Программируется параллельная работа n каналов, в каждый из которых входят следующие виртуальные устройства: фильтр (Ф_k), синхронный детектор (СД_k) генератор опорного сигнала (Г_k), сумматор (Σ_k), где k=1, 2, …, n номер канала.

Сигнал с выхода детектора (5), представленный функцией 1, одновременно поступает на входы (n каналов) фильтров.

где k=1, 2, …, n участки объекта,

- сигнал, принятый с элементарных областей участков объекта,

J_k - интенсивность излучения элементарной области k-го участка, t - время,

P_k(t) - модулирующая функция,

H(t) - интенсивность шума.

Принцип обработки сигнала каналами одинаковый, поэтому достаточно рассмотреть алгоритм работы одного k-го канала.

Сигнал на выходе фильтра (Ф_k) представлен формулой 2.

где (J_k×P_k(t)) - выделенный фильтром сигнал с элементарной области k-го участка, Z(t) - сумма ослабленных фильтром сигналов с остальных (n-1) участков объекта и шум.

С целью уменьшения величины Z(t) применяется синхронное детектирование. Сигнал на выходе синхронного детектора (формула 3) есть результат умножения функции X_k(t) на опорный сигнал, который представляется той же функцией, что и функция модуляции.

Опорный сигнал формирует генератор (Г_k) по поступающим с генератора (4) тактовым импульсам, частота которых задается модулятором (2) (см. фиг.1).

Алгоритм работы сумматора определяют формулы (4), (5):

По формуле (4) выполняется усреднение функции (3) для различного времени интегрирования (Δt_i), а по формуле (5) вычисляется интенсивность излучения k-й элементарной области объекта с ошибкой, величина которой уменьшается с увеличением времени интегрирования.

С целью оценки взаимного влияния излучений областей объекта и шума на выходные сигналы каналов проведено численное моделирование работы устройства, реализующее данный способ.

Приняты следующие условия: модулятор вращается со скоростью 50 об/с, частоты модуляции отличаются друг от друга на 20-30%, уровень шума -20 дБ, излучения принимаются с 10-ти областей объекта, интенсивность излучения 5-й области равна 0.8, интенсивности излучений остальных 9-ти областей равны 1.

В качестве примера рассматривалась работа 5-го канала (k=5), который вычисляет интенсивность излучения 5-го элемента объекта. На выходе 5-го канала сигнал, который представляет зависимость вычисляемой интенсивности излучения от времени интегрирования, показан на фиг.2. Видно, что кривая стремится к значению 0.8, соответствующему интенсивности излучения 5-го элемента объекта. При этом ошибка вычисления быстро уменьшается и за время интегрирования менее 0.1 с становится меньше 1%.

На основании результатов численного моделирования можно сделать вывод: излучения n элементов объекта, одновременно принятые детектором в ММ диапазоне волн, можно с высокой точностью разделить на составляющие, соответствующие каждому элементу объекта, и построить оптическое изображение.

Источники информации

1. В.А.Голунов, А.Ю.Зражевский, М.Т.Смирнов, В.С.Аблязов, А.А.Халдин, А.Е.Максимов, В.П.Нестеров. Радиотепловые поляризационные портреты объектов и покровов в ММ диапазоне волн. // 2-ая Всероссийская научная конференция «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами». Сб. докладов, Санкт-Петербург, 2004, т.1, с.56-59.

1. Способ формирования радиопортрета объекта одним детектором, заключающийся в приеме энергии, отраженной или излученной элементами объекта, и преобразовании принятого сигнала в оптическое изображение, отличающийся тем, что излучения всех элементов объекта одновременно принимаются неподвижной антенной, фокусируются в предметной плоскости, где модулируются функциями с различными для каждого элемента параметрами, параллельно поступают на детектор, из выходного сигнала которого выделяются составляющие, соответствующие интенсивности излучения каждого элемента, и преобразуются в оптическое изображение.

2. Устройство формирования радиопортрета объекта одним детектором, содержащее антенну, детектор, устройство обработки сигнала, отличающееся тем, что прием излучений элементов объекта осуществляется неподвижной антенной, при этом устройство содержит дисковый модулятор излучений элементов объекта, расположенный в предметной плоскости антенны; рупор, выполненный с возможностью вращения относительно оси диска, направленный перпендикулярно к плоскости диска, служащий для приема и передачи модулированных диском излучений элементов объекта на вход детектора, выход которого связан с входом устройства обработки сигнала, выполненного в виде компьютера и предназначенного для выделения составляющих, соответствующих интенсивностям излучений элементов объекта, преобразования значений интенсивностей излучения в оптическое изображение и формирования радиопортрета объекта; генератор импульсов, расположенный у кромки диска, служащий для подачи тактовых импульсов в устройство обработки сигнала.