10 марта 2016г.
Благодаря развитию вычислительных средств и компьютерных технологий стало возможно использование методов радиоволновой томографии, как средств дистанционного неразрушающего контроля и диагностики внутренней структуры полупрозрачных для радиоизлучения сред и восстановления формы непрозрачных объектов. Задача радиовидения также решается средствами радиоволновой томографии и заключается в пересчете данных, полученных на основе разностороннего (многоракурсного) радиоволнового зондирования исследуемых объектов, в его форму [1].
Одним из современных требований, предъявляемых к системам радиовидения, является работа в режиме реального времени. Если для обработки больших массивов данных разработаны быстрые алгоритмы, обеспечивающие требуемую скорость расчетов, то получение многоракурсных данных за короткий промежуток времени еще остается проблематичным. Одним из способов ускорения процедуры сбора данных является создание антенных решеток с электронным или электромеханическим сканированием [2-3]. Однако разработка и создание таких решеток является сложной и дорогостоящей задачей.
В данной работе автором предлагается решение задачи радиовидения с использованием решетки, состоящей из пассивных отражателей с управляемым импедансом. Данная решетка может обеспечить многоракурсное зондирование объектов в режиме реального времени.
Элементом антенной решетки выступает пассивный отражатель с управляемым импедансом. Схема такого элемента приведена на Рисунке 1. Работу элемента можно описать следующим образом. Если на отражатель (2) падает электромагнитная волна от стороннего облучателя (1), то в зависимости от управляющего напряжения (4), приложенного к диоду (3), можно задать разные отражающие свойства для отражателя (2). Отражатель выполнен в виде симметричного вибратора, состоящего из двух металлических полосок с длиной l/2, где l – длина волны внешней подсветки. Так, если на диод подано положительное напряжение, то его рабочая точка смещается в положительном направлении и диод «открывается». В этом случае отражатель (2) для внешней подсветки будет представлять одну металлическую полоску с размером l. Если управляющее напряжение не подано, то отражатель будет представлять две разомкнутые металлические полоски с размером l/2. Таким образом, включение или выключение управляющего напряжения будет изменять отражающие свойства элемента. Следовательно, сигнал, отраженный от такого элемента, будет также меняться.
Для проверки возможности использования решетки из элементов с управляемым импедансом для задачи радиовидения было проведено численное моделирование прямой и обратной задачи радиотомографии. На Рисунке 2 представлена схема численного эксперимента. Здесь 1-источник СШП импульсов длительностью 0,2 нс; 2 – решетка с апертурой 1 м, состоящая из 64 элементов с управляемым импедансом; 3 – тестовый объект в виде двух точечных рассеивателей на расстоянии 0,5 м от решетки, точечными рассеивателями задавалось 4 см; 4 – точка приема отраженного от объекта сигнала; 5 – сигнал, отраженный от элемента решетки, в отсутствии напряжения смещения на диоде; 6 – аналогичный сигнал при поданном смещении.
Для данной схемы в приближении однократного рассеяния рассчитывался сигнал в точке приема
при поочередной подаче управляющего напряжения
смещения на каждый из элементов
решетки. Сигнал, падающий на тестовый
объект, представлял собой сумму сигналов от каждого элемента решетки. Полученный набор осциллограмм представлен на Рисунке
3. Здесь по вертикальной оси отложен номер элемента
решетки, а по горизонтальной время измерения СШП сигнала.
Черный цвет соответствует отрицательным, белый – положительным, а серый –
отрицательным значениям амплитуды СШП сигнала. На рисунке хорошо просматриваются две гиперболы, соответствующие точечным рассеивателям тестового объекта.
Осциллограммы принятых сигналов
с использованием метода
радиоволнового томосинтеза [1] пересчитывались в радиоизображение тестового объекта
(Рисунок 4). Размеры
клетки на радиоизображении составляют 10 на 10 см. На радиоизображении отчетливо видно два точечных
рассеивателя. С учетом того, что расстояние между рассеивателями было 4 см, можно оценить
пространственное разрешение такой системы
в величину 3 см.
Для проверки предложенного подхода был
проведен эксперимент, в
котором
на управляемый импедансный отражатель падала электромагнитная волна в виде
сверхширокополосного
(СШП) импульса длительностью 0,2 нс. Размеры плеч отражателя составляли 3 см.
На Рисунке 5 представлено изображение прототипа импедансного отражателя. Для управления напряжением смещения на диоде были использованы оптоволоконный приемник и передатчик.
На Рисунке 6 а представлены отраженные от него сигналы.
Сплошная линия соответствует сигналу при обратном смещения на диод, а штриховая линия – при прямом смещении.
На Рисунке 6 б представлена разность этих сигналов. Видно, что отличия существенны, а значит наблюдаемый эффект можно применить для управления сигналами, отраженными от решетки,
состоящей из таких элементов.
Заключение.
Предложена конструкция управляемого импедансного отражателя, как элемента пассивной антенной решетки для радиовидения. Решена
прямая и обратная
задача радиотомографии для данной решетки
с использованием метода
радиоволнового томосинтеза. Проведенное численное моделирование на тестовом объекте в виде двух точечных рассеивателей показало возможность восстановления радиоизображений с разрешением не хуже 3 см при использовании СШП импульсов
0,2 нс. Также проведены эксперименты подтверждающие правильность и перспективность данного подхода.
Список литературы
1. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я., Клоков А.В. Радиоволновая томография: достижения и перспективы. – Томск: Изд-во НТЛ, 2014. – 280 с.
2.
Сатаров Р.Н., Кузьменко
И.Ю., Муксунов Т.Р., Клоков
А.В., Балзовский Е.В., Буянов Ю.И., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Коммутируемая сверхширокополосная антенная решетка
для радиотомографии // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 8. С. 26-30.
3.
Федянин И.С., Кузьменко И.Ю., Шипилов
С.Э., Якубов В.П. Радиовидение с использованием решетки микроволновых доплеровских датчиков
// Известия высших учебных
заведений. Физика. 2012. Т. 55. № 9- 2. С. 270-271.
