Формування когерентних зображень за допомогою наземних шумових радарів з синтезованою апертурою

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ІМ. О.Я. УСИКОВА

УДК 621.371+537.86

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

ФОРМУВАННЯ КОГЕРЕНТНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ЗА ДОПОМОГОЮ НАЗЕМНИХ ШУМОВИХ РАДАРІВ З СИНТЕЗОВАНОЮ АПЕРТУРОЮ

01.04.03 - радіофізика

ВИПЛАВІН ПАВЛО ЛЕОНІДОВИЧ

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України.

Науковий керівник:

Лукін Костянтин Олександрович, доктор фізико-математичних наук, професор, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, завідувач відділу "Нелінійної динаміки електронних систем".

Офіційні опоненти:

Сугак Володимир Григорович, доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, завідувач відділу "Статистичної радіофізики";

Дробахін Олег Олегович, доктор фізико-математичних наук, професор, Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара, завідувач кафедри "Прикладної і комп'ютерної радіофізики".

Захист відбудеться "27" жовтня 2011 р. о 16³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12.

Автореферат розісланий "23" вересня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом помітно збільшення інтересу до шумової радіолокації. Зокрема, в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України створюються і вивчаються шумові радари різноманітного призначення. Шумові радари мають ряд привабливих особливостей, таких як простота генерації сигналу, такого що забезпечує низький рівень бічних пелюсток, висока захищеність від завад і електромагнітна сумісність. Когерентний прийом відбитих сигналів в шумових радарах зберігає інформацію про фазу прийнятих сигналів, що зокрема дозволяє створювати шумові радари з синтезованою апертурою (РСА). Багатообіцяючим є наземне застосування методу РСА. Такі наземні РСА використовують переміщення фазового центру приймально-передавальної антени відносно досліджуваної області простору і спеціальну обробку записаних сигналів для формування когерентних зображень великих об'єктів з високою просторовою роздільною здатністю. При вирішенні задачі формування когерентних радіозображень наземні РСА є ефективною альтернативою, наприклад, системам з фазованими антенними решітками завдяки простоті конструкції та відсутності необхідності застосовувати дорогі фазообертачі у антенах, можливості фокусування на широких кутах та малих відстанях без ускладнення самого радара, а також завдяки можливості одержання більш високих розділень при аналогічному розмірі апертури. Застосування методу диференціальної інтерферометрії в наземних РСА сантиметрового та міліметрового діапазонів дозволяє виявляти зсуви об'єктів або їх частин з високою точністю. Це може бути використано для виявлення змін у різних об'єктах.

Актуальність даної роботи пов'язана з вивченням можливості використання шумових сигналів для формування когерентних зображень. З практичної точки зору однією з важливих областей використання результатів роботи є вирішення проблеми виявлення малих зсувів в різних природних і антропогенних об'єктах. Такі системи є затребуваними для виявлення структурних змін у різних спорудах і природних об'єктах з метою запобігання катастроф. Наземні шумові РСА вигідно відрізняються від оптичних приладів, що широко застосовуються в цій сфері, високою стійкістю до атмосферних ефектів і можливістю виявляти і вимірювати зсуви одночасно на великих площах і з субміліметровою точністю. Між тим, не вирішеними є задачі, пов'язані з отриманням радіозображень за допомогою шумових РСА у ближній зоні фізичної антени, не відома потенційна точність вимірювання зсувів за допомогою шумових наземних РСА та характер впливу нестабільностей траєкторій фазових центрів антен на цю точність та інші.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно з планом науково-дослідних робіт Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України в рамках держбюджетних НДР: "Методи генерації, випромінювання й прийому випадкових та хаотичних сигналів та їх застосування в радіолокації та зв'язку" (шифр "Варіант", номер державної реєстрації 0103U002261), "Мікрохвильовий метод та апаратура прецизійного моніторингу основного обладнання та трубопроводів АЕС. (Використання методу РСА - інтерферометрії та шумових радіолокаторів)" (шифр "Саркофаг ", номер державної реєстрації 0105U006564), "Методи та радіаційно-стійка апаратура для прецизійного моніторингу стану конструкцій й устаткування зовні та всередині об'єкту "Укриття"" (шифр "Саркофаг-2", номер державної реєстрації 0107U003122), "Розробка радарної системи з високим розрізненням на основі випадкових шумових сигналів з дискретним перестроюванням частоти" (шифр "Листя", номер державної реєстрації 0109U006256) та науково-дослідної роботи за проектом УНТЦ №1954. Автор був виконавцем цих робіт.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - розвиток теоретичних та експериментальних методів формування когерентних зображень і інтерферограм за допомогою наземних шумових РСА сантиметрового та міліметрового діапазонів та їх аналіз і експериментальна реалізація. Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні завдання:

* розробка і реалізація алгоритмів формування когерентних зображень в ближній зоні фізичної антени шумового РСА;

* розробка алгоритмів формування когерентних зображень за допомогою бістатичних шумових РСА, а також імпульсних шумових РСА з дуговим рухом антени;

* реалізація методу диференціальної інтерферометрії за допомогою вищевказаних РСА;

* аналіз ступеня впливу різних траєкторних спотворень розглянутих РСА на якість одержуваних інтерферограм;

* проведення експериментів, спрямованих на оцінку якості когерентних зображень і інтерферограм, що одержуються за допомогою наземних РСА в різних умовах;

* поліпшення якості одержуваних зображень (шляхом зважування, видалення домінантних цілей).

Об'єкт дослідження - електромагнітні поля, що розсіяні об'єктами складної форми при опроміненні шумовими сигналами сантиметрового та міліметрового діапазонів.

Предмет дослідження - формування когерентних радіозображень і інтерферограм за допомогою наземних шумових РСА, а також прийом та обробка відбитих випадкових сигналів.

Методи дослідження - в роботі використовувалися методи ближньої радіолокації, методи шумової радіолокації, методи формування РСА зображень, статистичної радіофізики та обробки випадкових сигналів і теорія антен.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Розвинуто метод формування РСА зображень за допомогою шумових сигналів: вперше отримано вирази для формування радіозображень за допомогою багатопозиційного шумового РСА 8-мм діапазону з урахуванням зміни хвильового тракту приймальної і передавальної антен з синтезованою апертурою, а також вирази для формування когерентних зображень в ближній зоні фізичної антени шумового РСА.

2. Вперше за допомогою шумового наземного РСА 8-мм діапазону сформовано когерентні радіозображення різних протяжних об'єктів у різноманітних умовах, зокрема: у закритому приміщенні, на суші і на водній поверхні озера, в тому числі проведено цілодобовий моніторинг дзвіниці собору Софії Київської. Вперше теоретично і експериментально обґрунтовано можливість реєстрації малих зсувів відбиваючої поверхні за допомогою методу диференціальної інтерферометрії з субміліметровою інструментальною точністю.

3. Вперше отримано вирази, що описують вплив спотворень траєкторії випромінювача (його зсувів, поворотів, випадкових поперечних та поздовжніх вібрацій) в досліджуваних шумових наземних РСА на точність вимірювання зсувів об'єктів за допомогою методу диференціальної інтерферометрії.

4. Експериментально показано, що завдяки використанню методу видалення відгуків від домінантних цілей можна досягти підвищення динамічного діапазону когерентних зображень бістатичного наземного шумового РСА.

5. Запропоновано принцип моделювання роботи шумового наземного РСА в якості системі огляду злітно-посадкової смуги аеродромів в режимі формування "мікрохвильового відео" в реальному часі.

Практичне значення одержаних результатів. За участю здобувача створено наземний шумовий радар з синтезованою апертурою 8-мм діапазону, що працює в моностатичній та бістатичній конфігураціях, а також перший імпульсний шумовий РСА 3-см діапазону з когерентною обробкою сигналів і дуговою синтезованою апертурою: створено РСА-процесори для шумового бістатичного РСА 8-мм діапазону та когерентно-імпульсного шумового РСА 3-см діапазону з дуговим рухом приймально-передавальної антени. Розроблений алгоритм для формування зображень в ближній зоні фізичної антени дозволяє використовувати наземні шумові РСА на малих відстанях. Надалі результати роботи можуть бути використані при побудові нових систем моніторингу стабільності поверхонь або споруд і в експериментальних дослідженнях змін в різноманітних об'єктах. За допомогою розробленого за участю дисертанта шумового наземного РСА 8-мм діапазону вперше проведено спостереження за будівлею дзвіниці собору Софії Київської. Також у цих спостереженнях застосовано результати аналізу впливу траєкторних нестабільностей на точність вимірювання фази в наземних шумових РСА.

Особистий внесок здобувача. В [1]здобувач самостійно вирішив задачу формування когерентних зображень за допомогою шумових РСА в ближній зоні фізичної антени, розробив відповідні алгоритми і програми. В [2]він провів моделювання роботи нерухомої антенної решітки та аналіз її властивостей. В [3]здобувач модифікував метод формування РСА зображень для роботи з антенами, що сканують, реалізував частину інтерактивного інтерфейсу для управління РСА, розробив і реалізував програмне забезпечення для первинної обробки даних, для отримання РСА зображень і інтерферограм та їх аналізу. Крім цього, він брав безпосередню участь у плануванні та проведенні експериментів, обробляв результати і проводив аналіз отриманих когерентних зображень. В [4]здобувач провів моделювання роботи шумового наземного РСА для спостереження злітних смуг з можливістю отримання мікрохвильового відео. В [5]він розробляв алгоритми та програми для формування зображень, брав участь в експериментах та аналізі їх результатів. В [6]він виконав аналіз впливу траєкторних спотворень на РСА-інтерферограми.

Апробація результатів дисертації. Наукові результати та основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на семінарах ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України, семінарах відділу нелінійної динаміки електронних систем ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України, наступних міжнародних конференціях і симпозіумах:

- 7^th International Radar Symposium 2006, Krakow, Poland;

- The Sixth International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and submillimeter waves and Workshop on Terahetz Technologies (MSMW), 2007, Kharkiv, Ukraine;

- Signal Processing Symposium, 2007, 2009, Jachranka, Poland;

- EUSAR, 2008, Friedrichshafen, Germany;

- 9^th International Radar Symposium, 2008, Wroclaw, Poland;

- 3-й Міжнародний радіоелектронний форум "Прикладна радіоелектроніка: Стан та перспективи розвитку", МРФ, 2008, Харків, Україна;

- IEEE Microwaves, Radar and Remote Sensing Symposium, MRRS, 2008, Kyiv, Ukraine;

- 10^th International Radar Symposium, 2009, Hamburg, Germany;

- EuRAD, 2009, Italy;

- 11^th International Radar Symposium IRS-2010, Vilnius, Lithuania.

Публікації. Матеріали дисертації викладені у 27 наукових працях, в тому числі в 6 статтях у вітчизняних фахових та зарубіжних наукових виданнях і 20 матеріалах і тезах доповідей на міжнародних конференціях, та у 1 додатковій статті.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із переліку умовних позначень, вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаних джерел. Її повний обсяг складає 129 сторінок, з них 106 сторінок основного тексту. Дисертація містить 60 рисунків, 2 таблиці. Список використаних джерел на 11 сторінках нараховує 105 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання дослідження, показано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів. Відображено особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію результатів дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячений огляду літератури за темою дисертації. Оскільки методи шумової радіолокації і радарів з синтезованою апертурою отримали суттєвий розвиток незалежно один від одного, простежено історію, основні переваги і недоліки та сфери застосування кожного з цих методів окремо. Перші експерименти, пов'язані з шумовими радарами, відносяться до 1960-х років. Тоді було показано можливість створення шумових радарів з кореляційною, антикореляційною і спектральною обробкою сигналів. Але з огляду на електроніку того часу застосування шумових радіолокаційних сигналів було надто складним і тому не практичним. З дев'яностих років минулого століття по теперішній час помітне зростання інтересу до шумової радіолокації. Значною мірою цей інтерес обумовлений досягненнями в цій області в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України (Харків), ІРЕ РАН (Москва), Університетів Штату Небраска та Огайо (США). Ці досягнення пов'язані з прогресом в області електроніки та цифрової техніки, що дозволяє створювати ефективні джерела шумових та хаотичних сигналів та цифрові системи обробки. Слід зазначити окремо, що перший широкосмуговий шумовий радар міліметрового діапазону було створено в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України завдяки розробленню генераторів хаосу та високошвидкісних цифро-аналогових кореляторів релейного типу, яким не потрібно аналогово-цифровий перетворювач сигналів.

Радари з синтезованою апертурою з'явилися та отримали широке визнання як бортові системи. На даний момент вони використовуються для всепогодного картографування земної поверхні та рослинності, в тому числі за допомогою поляризаційних РСА, побудови мап висот методом інтерферометрії, для вияву зсувів будівель та інших об'єктів, для вияву великих спотворень земної поверхні (наприклад, в результаті землетрусів), спостережень за водною поверхнею, судами та іншими об'єктами на ній. Це зумовило основні напрямки вивчення РСА. Інтерес до використання синтезованих апертур у наземних радарах зростає протягом останніх років. Наземні РСА використовуються як для аналізу закономірностей, пов'язаних з синтезом апертури, з ціллю переносу результатів на бортові системи, так і в якості систем суто наземного призначення.

Наведено відомі результати з вивчення РСА наземного базування та огляд відомих робіт, присвячених застосуванню шумових сигналів у РСА. На підставі наведених даних можна зробити висновок, що завдяки розвитку електроніки та цифрових пристроїв в даний час зростає інтерес до шумової радіолокації. Також показано, що в даний момент використання наземних РСА актуально, а застосування в них шумових сигналів, з одного боку, дозволяє досягти високих роздільних здатностей, електромагнітної сумісності та прихованості, а з іншого - на даний момент не достатньо вивчене.

Формування РСА зображень являє собою оцінку розподілу ефективної площі розсіяння у просторі шляхом аналізу радіолокаційних сигналів, відбитих об'єктами при різних положеннях приймальної і передавальної антен щодо досліджуваної області простору. Формування РСА зображень є зворотною задачею, в якій по зміряним полям у просторі виконується оцінка розподілу відбивачів. Як і багато інших зворотних задач, формування РСА зображень відноситься до некоректних задач і потребує додаткових припущень для її вирішення. В даній роботі застосовується метод розв'язання некоректних задач, що називається аналітичним. В ньому припускається, що спектр просторових частот ефективної площі розсіяння цілей є обмеженим і співпадає зі спектром просторових частот радарних відгуків, що знято при скануванні.

Формування РСА зображень можна розглядати як оптимальну фільтрацію й прийом, при яких здійснюється згортка радарних відгуків з опорною функцією. Ця опорна функція в РСА являє собою теоретичний радарний відгук від елементарної цілі, що знаходиться в досліджуваній точці. Відмінністю шумових РСА є те, що випромінюваний сигнал є випадковим, і для будування опорної функції потрібно зберігати реалізації сигналів, що були випромінені. Окрім цих сигналів, опорна функція потребує електродинамічну модель радара і досліджуваного об'єкта, для чого описуються процеси передачі, поширення, відбиття і прийому радіолокаційного сигналу при довільному взаємному положенні радара і одиничної цілі. Очевидно, що чим точніше модель описує процеси, що відбуваються в експерименті, тим вищою буде якість одержуваних зображень. радар синтезована апертура інтерферограма

У другому розділі наведено огляд принципів роботи РСА та побудови зображень, і на основі стандартного методу будуються методи формування зображень для наземних шумових РСА.

Для бортових РСА характерно, що весь радар пересувається разом з носієм, всі цілі знаходяться на великій відстані від радару. Це впливає на застосування методу формування РСА зображень: зміни в антенному тракті під час польоту зазвичай відсутні, а фазовий фронт сигналу можна вважати сферичним. В дисертаційній роботі проілюстроване виведення з електродинамічної моделі поширення сигналу стандартного виразу, що описує формування зображень методом РСА для випадку бортового застосування. Цей вираз має вигляд:

,

де - частота, - повільний час, що відповідає пересуванню фазових центрів антен відносно об'єктів, - елемент спектру опорного сигналу, - елемент спектру радарного відгуку, - координати точки, для якої оцінюється ефективна площа розсіяння, - координати приймально-передавальної антени.

На відміну від бортових, у наземних РСА припущення, зроблені для бортових РСА, справедливі не завжди, що призводить до необхідності зміни алгоритму РСА для роботи з системами, що вивчаються. В роботі проаналізовано особливості, пов'язані з використанням шумових сигналів і з роботою РСА в наземній конфігурації. Обґрунтовано необхідність модифікації методу формування РСА зображень для роботи у складі досліджуваних наземних шумових РСА. Побудована модель роботи радару за умови поширення сигналів у хвилевідному тракті скануючих антен, що змінюється при пересуванні фазового центру антени. На основі цих моделей отримано вирази, що дозволяють формувати РСА зображення за допомогою наземних РСА з цими антенами:

,

де - стала поширення радіохвиль у хвилеводі на основній хвилі, - довжини, що сигнал має пройти у хвилеводах передавальної та приймальної антен. Електрична довжина хвилеводів, що живлять антени, залежить від повільного часу, тобто від положення фазових центрів на апертурах антен. Вирази отримано для бістатичної та моностатичної конфігурацій антен.

Окрім того, описано поля ближньої зони випромінювача наземного шумового РСА та отримано вирази для формування зображень у цій зоні:

,

де - різниця фази між сферичною хвилею та фазовим розподілом фізичного випромінювача у ближній зоні.

Проведено аналіз відмінностей між застосуванням шумових і детермінованих сигналів у РСА. За допомогою моделювання роботи шумового РСА в ближній зоні рупорного випромінювача проведена перевірка модифікованого виразу для формування РСА зображень, що враховує відміну фазового розподілу випромінювача від сферичної хвилі. Оцінено підвищення роздільної здатності РСА завдяки врахуванню відмінностей фазового фронту антени у ближній зоні від сферичного.

За допомогою розроблених методів формування радіозображень проведено моделювання роботи шумового РСА у якості радарного сенсора системи огляду злітно-посадкової смуги аеродромів. Принцип дії такого сенсора базується на швидкому пересуванні фазового центру по апертурі антени. Обробка радарних відгуків, записаних під час кожного такого пересування, дає одне РСА зображення. Отримування серії таких зображень в реальному часі дасть можливість генерування "мікрохвильового відео". В роботі було модельовано відгуки від землі та літака, що рухається по смузі, та сформоване "мікрохвильове відео" такої сцени.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений опису та характеризуванню експериментального обладнання, а саме двох наземних шумових РСА та аналізу їх особливостей. Ці шумові РСА були розроблені і сконструйовані у відділі нелінійної динаміки електронних систем ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України за безпосередньої участі дисертанта.

Шумовий наземний РСА 8-мм діапазону є бістатичним наземним РСА. Він включає дві однакові антенні системи, одна з яких служить для передачі сигналів, друга - для прийому.

Застосовані в цій системі антени (див. рис. 1) були запропоновані Лукіним К.О. і розроблені у відділі нелінійної динаміки електронних систем у співпраці із іншими відділами ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України у рамках проекту УНТЦ. Вони отримали назву: "антени з синтезованою апертурою". Використання механічного переміщення частини антени, яка задає положення фазового центру, і формування антенного променя шляхом подальшої обробки є відмітними ознаками цієї антени. Для формування променя антени і сканування в ній використовується принцип, подібний застосованому в одновимірній фазованій антенній решітці, але замість одночасного випромінювання та прийому сигналів всіма елементами решітки використовується пересування одного випромінюючого елемента та послідовні прийом і передача електромагнітних сигналів в кожній його позиції. Загальний промінь визначається реальною апертурою, а число положень променя залежить від числа положень стрічки з щілиною, реалізованих під час вимірювання. При обробці потрібно брати до уваги те, що електрична довжина хвилеводів змінюється під час сканування. Це призводить до зсувів фази, які треба компенсувати у РСА процесорі (така компенсація описана у розділі 2 дисертаційної роботи).

Кожен передавач містить 8-мм генератор, що контролюється напругою, і низькочастотний генератор модулюючого шуму, що дозволяє генерувати безперервний шумовий сигнал з регульованою шириною спектру. Змінюючи такі параметри модулюючого сигналу, як амплітуда і центральна частота, можна змінювати спектр потужності високочастотного сигналу, що генерується. Параметри модулюючого сигналу підібрані таким чином, щоб можна було вибирати між двома характерними формами спектра вихідного сигналу - дзвоноподібною і прямокутною.

Прямокутна форма спектра забезпечує високу роздільну здатність, але з високими бічними пелюстками, тоді як дзвоноподібна форма спектра дозволяє досягнути низьких рівнів бічних пелюсток, але за рахунок деякої втрати в роздільній здатності. Для фіксованої смуги пропускання в разі необхідності високої роздільної здатності треба використовувати сигнал з прямокутним спектром, при цьому пізніше під час обробки можна використовувати зважування для мінімізації бічних пелюсток. І навпаки, коли потрібно досягти мінімальних бічних пелюсток по дальності, потрібно генерувати сигнал з дзвоноподібною формою спектра.

Рис. 1. Шумовий наземний РСА 8-мм діапазону радіохвиль у бістатичній конфігурації антен

Основні параметри шумового 8-мм наземного РСА наступні: смуга частот - 36-36,5 ГГц, роздільна здатність по дальності - 0,35 м, максимальна довжина синтезованої апертури - 0,7 м, роздільна здатність по поперечній дальності - 0,3 м - на дальності 50 м та 0,06 м - на дальності 10 м.

Дисертант особисто брав участь у розробці цієї системи, а саме розробляв та реалізовував РСА-процесор для обробки даних та програмне забезпечення для відображення когерентних зображень, інтерферограм, їх аналізу та обробки. Крім того, він вимірював основні характеристики РСА та брав участь у реалізації інтерфейсу для управління РСА. При розробці РСА-процесора використано вирази, що були отримані у другому розділі дисертаційної роботи.

Наземний шумовий радар з дуговою синтезованою апертурою (див. рис. 2) побудовано на базі першого у світі імпульсного шумового радару з когерентною обробкою сигналів, який було створено у відділі нелінійної динаміки електронних систем ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України. У цьому радарі використовуються імпульсні шумові сигнали в якості зондуючих і кореляційна обробка для когерентного прийому радарних відгуків з можливістю когерентного інтегрування від імпульсу до імпульсу. Для реалізації такого когерентного прийому необхідно цифрувати переданий шумовий сигнал після його перенесення в область проміжних частот і використовувати його як опорний. В системі, що описується, один канал аналогово-цифрового перетворювача використаний для цифрування послідовно як опорного сигналу, так і радарного відгуку. Сканування здійснюється шляхом пересування по дуговій апертурі рупорної антени з широкою діаграмою спрямованості. Генератор шуму 3-см діапазону, застосований в цьому наземному шумовому радарі, засновано на принципах хаотизації коливань.

Рис. 2. Фотографія наземного шумового РСА 3-см діапазону з дуговою синтезованою апертурою

Дисертант реалізував РСА-процесор та програми для відображення та обробки зображень та інтерферограм, що входять до 3-см наземного шумового РСА.

Основні характеристики цієї системі такі: центральна частота - 9,2 ГГц, ширина смуги - 250 МГц, синтезована апертура - дуга з радіусом 1,75 м та сектором 99 градусів, роздільна здатність по дальності - 0,6 м, по поперечній дальності - 0,3 м (на дальності 50 м).

У четвертому розділі проводиться дослідження точності вимірювань за допомогою наземних шумових РСА і методу диференціальної інтерферометрії. У таких радарах вимірювання малих зсувів об'єктів ґрунтується на отриманні двох когерентних зображень в різний час і порівнянні фаз між ними. Якщо між вимірюваннями пройшли малі зміни в положеннях цілей, вони призведуть до зміни фази сигналів, що реєструються РСА від них. Оскільки РСА зберігає фазову інформацію, ці фазові зміни після обробки будуть прив'язані до певних елементів на інтерферограмі. Таким чином, можливо виявлення та вимірювання зсувів об'єктів. Головною вимогою для забезпечення вимірювання абсолютних зсувів є точне повторення траєкторії антен під час сканування. Спотворення траєкторії буде призводити до похибки вимірювання різниці фази, що в свою чергу обмежить точність вимірювання зсувів. В бортових РСА точне повторення траєкторії ускладнено, і зазначена проблема вирішується тим, що вибирається опорний об'єкт (або поверхня), про який відомо, що він нерухомий, та відносно нього вимірюється різниця фаз.

В наземних РСА можливо досягти високої повторюваності вимірювань. Особливо при застосуванні скануючих антен для РСА, в яких переміщення фазового центру, необхідне для реалізації принципу синтезованої апертури, проводиться за рахунок випромінюючого елемента з фізичної апертури. Це забезпечує можливість вимірювання різниці фаз та абсолютних зсувів. Але, зважаючи на високу фазову чутливість системи, потрібен аналіз впливу спотворень траєкторії антени і шумів у каналах радара на точність вимірювання радіальних зміщень.

В роботі представлено модель для оцінки впливу спотворень траєкторії і шумів на точність вимірювання радіальних зміщень за допомогою методу диференціальної інтерферометрії. На основі наближення однієї цілі та малих спотворень траєкторії отримано вираз, що описує залежність фазової похибки на інтерферограмі від спотворення траєкторії фазового центру антени:

,

де - вектор, що з'єднує середину синтезованої апертури та ціль, - вектор, що з'єднує положення фазового центру антени при першому та другому скануваннях (цей вектор описує спотворення синтезованої апертури).

Із застосуванням цього виразу було оцінено вплив найпростіших видів спотворень траєкторії на інтерферограми: зсув всієї апертури, поворот, скорочення та здовження синтезованої апертури, випадкові зсуви кожного положення антени. Окрім того, оцінено вплив спотворень траєкторії фазового центру антени та випадкових процесів у приймачах шумового РСА на точність вимірювання фази. Наближення двох цілей дозволило оцінити їх вплив один на одного при випадкових спотвореннях траєкторії фазового центру антени.

У п'ятому розділі наводяться результати експериментального дослідження шумових наземних РСА 8-мм і 3-см діапазонів. Для оцінки можливості формування РСА зображень при великих кутах падіння було проведено експеримент, в якому 3-см шумовий наземний РСА було встановлено на висоті 20 м над землею. Сформовані зображення та інтерферограми (приклад РСА зображення наведено на рис. 3) дозволили ідентифікувати об'єкти та відрізнити нестабільні у часі цілі (наприклад, дерева) від стабільних - таких, як будівлі та земля. Визначено точність вимірювання зсуву фази по інтерферографам, що становила 0,3 см.

Для того, щоб показати можливість формування зображень при малих кутах падіння, було проведено серію експериментів за допомогою 8-мм шумового РСА, що було встановлено на висоті 1,5 м над землею.

Рис. 3. Схема розташування об'єктів та РСА зображення, отримане за допомогою 3-см наземного шумового РСА з дуговою синтезованою апертурою

Сформовано РСА зображення та інтерферограми, що дозволили ідентифікувати більшість об'єктів. Оцінено роздільну здатність 8-мм шумового РСА у бістатичному режимі. Окрім того, було проаналізовано характер впливу коливань об'єктів під вітром на РСА інтерферограми - показано, такі об'єкти можуть викликати фазовий шум, що спостерігається навіть на інших, нерухомих, цілях.

Для аналізу можливості формування зображень за допомогою шумового наземного РСА з неперервними сигналами у приміщенні радар було встановлено у лабораторну кімнату. Сформовані зображення дозволили ідентифікувати об'єкти у кімнаті та показали, що при застосуванні шумових сигналів багаторазові відбиття в приміщенні не є завадою. Експериментально показано, що розроблені наземні шумові РСА дозволяють виявляти зсуви об'єктів з малими поверхнями розсіювання при наявності більш яскравих цілей.

а) б)

Рис. 4. РСА зображення (а) та інтерферограма (б) дзвіниці собору Софії Київської, одержані за допомогою бістатичного шумового наземного РСА 8-мм діапазону

Крім того, було проведено експериментальне вивчення стабільності апаратури у часі. Для цього 8-мм шумовий наземний РСА було встановлено в лабораторній кімнаті, а антени спрямовано до стелі. Всі потенційні джерела механічних зсувів були зведені до мінімуму. Було отримано інтерферограми, за допомогою яких проведено аналіз стабільності апаратури у часі, визначено потенційні точності вимірювання зсувів у різних режимах роботи апаратури. В тому числі показано, що за допомогою 8-мм шумового РСА можна досягти середньоквадратичної похибки 0,03 мм при вимірюванні зсувів (за умови стабільної атмосфери).

На території собору Софії Київської проведено експеримент з вивчення стабільності у часі високої будівлі - дзвіниці. За допомогою шумового наземного РСА 8-мм діапазону у моностатичній конфігурації отримано зображення і інтерферограми будівлі (рис. 4). Підтверджено можливість досягти середньоквадратичної похибки 0,03 мм при вимірюванні зсувів на вулиці на відстанях до 80 м за умови стабільної атмосфери.

Було проведено експерименти з формування РСА зображень водної поверхні і об'єктів на ній. На зображеннях було ідентифіковано береги озера та цілі на березі. Окрім того, цілі на водній поверхні були також помітні на зображеннях, але не сфокусовані по азимуту. Це пов'язано з коливаннями цих цілей на воді під час сканування.

З використанням експериментальних даних оцінено рівні бічних пелюсток та залишкових шумів в профілях дальності шумових наземних РСА 8-мм і 3-см діапазонів і їх залежності від бази сигналу та форми спектру. Для цього були проаналізовані дані з опорних каналів цих шумових РСА.

Експериментально оцінено ефективність підвищення динамічного діапазону на РСА зображеннях завдяки видаленню відгуків від яскравих цілей. Цей метод у літературі називається CLEAN. Він полягає в наступному. На основі радарних даних формується зображення. На ньому знаходиться найяскравіша ціль і оцінюються її параметри. По цих параметрах моделюється сигнал, що мав призвести до появи такої цілі, і віднімається з радарних даних. Ця процедура повторюється для всіх яскравих цілей і дозволяє видалити відгуки разом з бічними пелюстками та залишковими флуктуаціями Особливості реалізації цього методу в даній роботі були пов'язані з використанням шумових сигналів та бістатичної конфігурації РСА.

ВИСНОВКИ

Таким чином, у дисертаційній роботі розвинуто теоретичні та експериментальні методи формування РСА зображень, а саме розв'язано задачу формування когерентних зображень і інтерферограм за допомогою наземних шумових РСА сантиметрового та міліметрового діапазонів та їх аналізу. В результаті проведених досліджень отримано наступні результати:

1. Враховано відмінності роботи РСА, пов'язані з використанням шумових сигналів, з можливістю потрапляння цілей у ближню зону фізичної антени та з застосуванням в РСА скануючих антен з синтезованою апертурою.

2. На основі електродинамічної моделі РСА одержано вирази, що описують поширення сигналів у РСА з антенами з синтезованою апертурою в бістатичній та моностатичній конфігураціях, а також вираз, що описує поля ближньої зони фізичного випромінювача. На підставі цих виразів одержані опорні функції для формування РСА зображень і таким чином модифіковано метод формування зображень за допомогою РСА, що враховує згадані особливості конструкції та застосування систем.

3. Створено РСА процесори для формування зображень, які є невід'ємними важливими частинами радарів з синтезованою апертурою 8-мм і 3-см діапазонів.

4. Проведено аналіз впливу змін траєкторії руху фазового центру антени між вимірюваннями на точність визначення абсолютних зсувів за допомогою методу диференціальної інтерферометрії.

5. З використанням натурних даних проведено випробовування підвищення динамічного діапазону РСА зображення методом видалення відгуків від домінантних цілей.

6. Проведено серії експериментів з формування РСА зображень. Експериментально оцінена точність абсолютних і відносних інтерферометричних вимірювань за допомогою шумового наземного РСА 8-мм діапазону в залежності від часу прогріву і часової бази між голограмами. Показано, що наземний шумовий РСА 8-мм діапазону може забезпечити середню квадратичну похибку вимірювання зсувів відбиваючої поверхні із субміліметровою точністю при сприятливих атмосферних умовах.

7. Оцінено просторову роздільну здатність та рівні шуму шумового наземного РСА 8-мм діапазону. Проведено спостереження за будівлею дзвіниці собору Софії Київської з метою виявлення зсувів в ньому. Сформовано зображення різних протяжних об'єктів в приміщенні, на вулиці, на стінах будівель, на водній поверхні.

8. Проведено вимірювання за допомогою шумового наземного імпульсного РСА з когерентної обробкою: сформовано РСА зображення, оцінено параметри зображень.

Подальші дослідження можуть бути спрямовані на формування тривимірних зображень за допомогою концепції багатопозиційного РСА, в якому приймальна й передавальна антени переміщаються по взаємно перпендикулярним напрямам. Перспективним є оптимізація обчислень та використання швидких алгоритмів для обробки по азимуту даних в РСА процесорах, що має значно зменшити час обчислень. Подальше вдосконалення наземних РСА може полягати в підвищенні стабільності параметрів гетеродинів і генераторів сигналу у часі, що повинно підвищити точність вимірювань, що здійснюються за допомогою методу диференціальної інтерферометрії. При використанні шумових сигналів важливою є побудова радарів, що забезпечують одночасно високе просторове розділення (в тому числі по дальності) та високий динамічний діапазон. Окрім того, перспективним є пошук нових способів реалізації методу синтезованої апертури на реальних апертурах в наземних радарах: за допомогою антен з малими рухомими частинами, нерухомих антен, антенних решіток, в яких комутуються елементи.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Выплавин П.Л. Получение изображений с помощью шумового радара с синтезированной апертурой в ближней зоне излучателя / П.Л. Выплавин, К.А. Лукин, Н.Н. Колчигин // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радоифизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2006. - Т. 11, №3. - С. 404-408.

2. Лукин К.А. Получение изображений с помощью неподвижной антенной решетки, шумовых сигналов и метода синтезирования апертуры / К.А. Лукин, А.А. Могила, П.Л. Выплавин // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радоифизики и электроники им. А.Я. Усикова. - Харьков, 2007. - Т. 12, №3. - С. 526-531.

3. Lukin K.A. Ka-band bistatic ground-based noise waveform SAR for short-range applications / K.A. Lukin, A.A. Mogyla, V.P. Palamarchuk, P.L. Vyplavin, O.V. Zemlyaniy, Y.A. Shiyan, and M.K. Zaets // Radar, Sonar & Navigation, IET. - V.2, № 4. - 2008. - P. 233-243.

4. Kulpa K. Quality enhancement of image generated with bistatic ground based noise waveform SAR / K. Kulpa, K. Lukin, J. Misiurewicz, Z. Gajo, A. Mogila, P. Vyplavin // Radar, Sonar & Navigation, IET. - V.2, № 4. - 2008. - P. 263-273.

5. Lukin K. Novel concepts for surface movement radar design / K. Lukin, A. Mogyla, P. Vyplavin, G. Galati and G. Pavan // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. - Cambridge University Press. - 2009. - V.1, № 3. - P. 163-169.

6. Tarchi D. SAR imaging with noise radar / D. Tarchi, K. Lukin, J. Fortuny-Guasch, A. Mogila, P. Vyplavin, and A. Sieber // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. - V.46, №3. - 2010. - P. 1214-1225.

7. Vyplavin P. Phase errors due to distortions in synthetic aperture antenna pattern of noise waveform d-InSAR / P. Vyplavin // Proc. SPIE. Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments / ed. Ryszard S. Romaniuk. - 2009. - V. 7502. - DOI:10.1117/12.837764.

Додаткові публікації автора:

8. Лукин К.А. шумовая радарная технология / К.А. Лукин, А.А. Могила, Ю.А. Александров, В.П. Паламарчук, П.Л. Выплавин, О.В. Земляный, Л.В. Юрченко, Ю.А. Шиян, В.М. Коновалов, В.М. Канцедал, В.В. Кулик, Е.М. Мельникова, С.К. Лукин // Прикладная радиоэлектроника. - Т.8, №4. - 2009. - С. 510-525.

АНОТАЦІЯ

Виплавін П.Л. Формування когерентних зображень за допомогою шумових наземних радарів з синтезованою апертурою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, 2011.

Мета дослідження - розвинення теоретичних та експериментальних методів формування когерентних зображень і інтерферограм за допомогою наземних шумових РСА сантиметрового та міліметрового діапазонів та їх аналіз і експериментальна реалізація. Для досягнення цієї мети на основі електродинамічної моделі РСА, що працює в ближній зоні фізичної антени, модифіковано метод формування РСА зображень. Розв'язано задачу компенсації змін хвилевідного тракту антен з синтезованою апертурою під час сканування. На основі одержаних виразів створені РСА процесори, що працюють у складі наземного шумового бістатичного РСА 8-мм діапазону і наземного шумового РСА 3-см діапазону з дуговим рухом випромінювача. Одержано вирази, що описують вплив траєкторних спотворень фазового центру антени РСА на точність вимірювання абсолютних зміщень об'єктів за допомогою методу диференціальної РСА інтерферометрії. Експерименти з формування зображень різних протяжних об'єктів в приміщенні і на вулиці за допомогою наземних шумових РСА дозволили показати високу потенційну точність вимірювання зміщень за допомогою методу диференціальної РСА інтерферометрії, і визначити характеристики систем.

Ключові слова: радар з синтезованою апертурою, шумова радіолокація, ближня зона, диференційна інтерферометрія.

АННОТАЦИЯ

Выплавин П.Л. Формирование когерентных изображений с помощью шумовых наземных радаров с синтезированной апертурой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, 2011 г.

В последнее время заметно увеличение интереса к шумовой радиолокации. Шумовые радары имеют ряд привлекательных особенностей, таких как простота генерации сигнала, обеспечивающего низкий уровень боковых лепестков, высокая помехозащищенность и электромагнитная совместимость. Когерентный прием отраженных сигналов в шумовых радарах и позволяет создавать шумовые радары с синтезированной апертурой (РСА). Многообещающим является наземное применение метода РСА. Такие наземные РСА позволяют получать когерентные изображения крупных объектов с высоким пространственным разрешением, а применение метода дифференциальной интерферометрии в них позволяет выявлять смещения объектов или их частей с высокой точностью.

Целью исследования было развитие теоретических и экспериментальных методов формирования когерентных изображений и интерферограмм с помощью наземных шумовых РСА микроволнового диапазона, их анализ и экспериментальная реализация.

Для достижения цели в работе были проанализированы особенности, связанные с использованием шумовых сигналов и с работой РСА в наземной конфигурации. Обоснована необходимость модификации метода формирования РСА изображений для работы в составе исследуемых наземных шумовых РСА. Построена модель работы радара при распространении сигналов в волноводном тракте сканирующих антенн, изменяющемся при передвижении фазового центра антенны. На основе этой модели впервые получены выражения, позволяющие формировать РСА изображения с помощью наземных РСА с такими антеннами. Кроме того, впервые получены выражения, позволяющие формировать изображения в ближней зоне физической антенны шумового РСА.

На основании полученных выражений созданы РСА процессоры, работающие в составе наземного шумового бистатического РСА 8-мм диапазона и наземного шумового РСА 3-см диапазона с дуговым движением излучателя. Кроме того, создано программное обеспечение для визуализации и анализа РСА изображений и интерферограмм.

В работе представлена модель для оценки влияния искажений траектории и шумов на точность измерения радиальных смещений с помощью метода дифференциальной интерферометрии. На основе приближения одной цели и малых искажений траектории получено выражение, описывающее зависимость фазовой ошибки на интерферограммах от искажения траектории фазового центра антенны. Оценено влияние простейших видов искажений траектории на интерферограммы: поворот, сокращения и удлинения синтезированной апертуры, случайные смещения каждого положения антенны. Кроме того, оценено влияние искажений траектории фазового центра антенны и случайных процессов в приемниках шумового РСА на точность измерения фазы. Приближение двух целей позволило оценить их влияние друг на друга при случайных искажениях траектории фазового центра антенны.

Была экспериментально подтверждена возможность формирования когерентных изображений с помощью шумовых наземных РСА при больших углах падения - с помощью шумового наземного РСА 3-см диапазона волн с дуговой синтезированной апертурой. Оценены разрешающая способность и точность измерения смещений. На интерферограммах обнаружены смещения нестабильных во времени объектов.

Была подтверждена возможность формирования РСА изображений при малых углах падения. При этом использовался шумовой наземный РСА 8-мм диапазона радиоволн. Оценена разрешающая способность РСА в бистатическом режиме, проанализирован характер влияния колебаний объектов на ветру на интерферограммы. Показано, что такие колебания могут вызывать фазовый шум, наблюдаемый на других, неподвижных, целях.

Экспериментально подтверждена возможность формирования изображений с помощью РСА с непрерывными шумовыми сигналами в помещении. Показано, что при применении шумовых сигналов многократные отражения в помещении не являются помехой. Экспериментально показано, что разработанные наземные шумовые РСА позволяют выявлять сдвиги объектов с малыми поверхностями рассеяния при наличии более ярких целей.

Кроме того, было проведено экспериментальное изучение стабильности аппаратуры во времени, определены потенциальные точности измерений сдвигов в различных режимах работы аппаратуры. В том числе показано, что при помощи 8-мм шумового РСА можно достичь среднеквадратической ошибки 0,03 мм при измерении смещений.

Впервые проведен эксперимент по изучению стабильности во времени высокого здания с помощью шумового наземного РСА 8-мм диапазона в моностатической конфигурации. Получены изображения и интерферограммы здания. Подтверждена возможность достичь среднеквадратической ошибки 0,03 мм при измерении смещений на улице на расстояниях до 80 м при условии стабильной атмосферы.

Были проведены эксперименты по формированию РСА изображений водной поверхности и объектов на ней.

Были оценены уровни боковых лепестков и остаточных шумов в профилях дальности шумовых наземных РСА 8-мм и 3-см диапазонов, их зависимости от базы сигнала и формы спектра.

Ключевые слова: радар с синтезированной апертурой, шумовая радиолокация, ближняя зона, дифференциальная интерферометрия.

ABSTRACT

Vyplavin P.L. Formation of coherent images using ground-based noise synthetic aperture radars. - Manuscript.

Thesis for the candidate of physics and mathematics in specialty 01.04.03 - radiophysics. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of NAS of Ukraine, Kharkiv, 2011.

The main objective of the thesis is formation of high-quality coherent images and interferograms using ground based noise synthetic aperture radar (SAR) and their analysis. In order to achieve this objective, a modified method of forming the SAR image has been created on the basis of the electrodynamical model of SAR operating in the near zone of physical antenna. Problem of taking into account changes of the waveguides in synthetic aperture antenna during scanning has been solved. On the basis of relations obtained, SAR processors for Ka-band Ground-Based noise bistatic SAR noise and ground X-band pulse coherent noise SAR with arc movement of the radiator have been developed. Expressions describing the effect of antenna phase center trajectory distortion in SAR on the accuracy of the measurement of absolute objects displacement using the method of differential SAR interferometry have been derived. Indoor and outdoor experiments in SAR imaging on various extended objects have been carried out using ground-based noise SAR. Those experiments have shown high potential accuracy of displacement measurement by the method of differential SAR interferometry, and enabled to determine parameters of the developed SAR systems.

Key words: synthetic aperture radar, noise radars, near field zone, differential interferometry.

Размещено на Allbest.ru

...