УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ РАДИОВОЛН Российский патент 1998 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано для дистанционного измерения радиотехнических характеристик материалов и объектов сложной формы (например, определение коэффициента отражения или радиолокационной эффективной площади рассеяния (ЭПР), получение радиопортрета объекта). Кроме того, изобретение может найти применение в дефектоскопии, в сельском хозяйстве для определения влажности почвы, толщины льда или снежного покрова на участках земли ограниченных размеров.

Известные устройства, аналогичные заявленному, основаны на принципе измерения коэффициента отражения или поглощения электромагнитной энергии в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне радиоволн.

Например, устройство для измерения параметров материалов содержит СВЧ-генератор, направленный ответвитель, к первому выходу которого подключен циркулятор, а к второму выходу - первый смеситель. К второму плечу циркулятора подключена первая (приемопередающая) антенна, к третьему плечу - второй смеситель. Второй вход первого смесителя соединен с второй (приемной) антенной, а к его выходу подключены последовательно включенные первый детектор, блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго детектора, подключенного к выходу второго смесителя. К выходу блока сравнения подключен индикатор. Устройство содержит также привод, осуществляющий перемещение исследуемого материала в направлении, перпендикулярном нормали к его поверхности.

Первая и вторая антенны установлены под одинаковыми углами к нормали исследуемого материала. При его движении он облучается первой антенной. Зеркально отраженная от поверхности материала волна попадает на вторую антенну, а диффузно рассеянная энергия принимается первой антенной. Соотношение мощностей сигналов, принятых антеннами, служит мерой шероховатости отражающей поверхности (авт. св. СССР N 1228000, кл. G 01 N 22/02, 1986).

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, является то, что оно не работает с неподвижными объектами, т.к. является доплеровской измерительной системой. Кроме того, устройство не позволяет сформировать радиопортрет объекта, не обеспечивает получение информации о разрешении по дальности, углу места и азимуту блестящих точек на поверхности материала.

Известен СВЧ-дефектоскоп, предназначенный для неразрушающего контроля физико-механических характеристик материалов. Он содержит СВЧ-генератор, выход которого через вентиль соединен с циркулятором, ко второму плечу которого подключены последовательно соединенные СВЧ- детектор, линейный детектор и индикатор, а к третьему плечу - волноводный тройник, связывающий первый и второй СВЧ-модуляторы с приемопередающей антенной.

О наличии дефектов (например, трещин) в контролируемом образце материала судят по изменению измеренного модуля коэффициента отражения (авт.св. N 1281987, кл. G 01 N 22/02, 1987).

Причины, препятствующие получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, заключаются в следующем. Устройство не обеспечивает привязку положения луча к элементам конструкции объекта, селекцию мешающих отражений, их подавление, накопление и обработку информации об объекте интегрально, выделение блестящих точек, фиксирование информации в зависимости от ракурса облучения, получение информации с разрешением по дальности, углу места и азимуту. Все это не позволяет сформировать радиопортрет объекта. Наличие подстроечных элементов, требующих ручной настройки в процессе измерений, существенно усложняет работу операторов. Кроме того, устройство чувствительно к фазе отраженного сигнала, что усложняет обработку полученной информации.

Наиболее близким к заявленному изобретению является доплеровское устройство для измерения радиолокационной эффективной площади рассеяния, в котором выход СВЧ-генератора соединен с первым плечом направленного ответвителя, второе плечо которого соединено с последовательно включенными смесителем и усилителем-регистратором, а третье плечо - с первым плечом переключателя. К второму плечу переключателя подключены последовательно соединенные первый калибровочный аттенюатор и антенна, а к третьему - последовательно соединенные второй калибровочный аттенюатор и доплеровский калибровочный отражатель-имитатор. Устройство содержит также безэховую камеру, в которой смонтирован механизм возвратно-поступательного движения с подставкой для исследуемого отражателя-объекта.

Во время измерений исследуемый отражатель-объект совершает возвратно-поступательное движение. Скорость движения выбирается таким образом, чтобы доплеровские сдвиги сигналов, отраженных от исследуемого отражателя-объекта и отражателя-имитатора, были одинаковыми. Т.к. величина ЭПР отражателя-имитатора известна, то уровень сигнала, зафиксированный при отражении СВЧ-сигнала от него, принимается как опорный для определения радиолокационной ЭПР исследуемого отражателя-объекта. Использование доплеровского метода позволило ослабить влияние посторонних неподвижных предметов на величину измеряемой ЭПР отражателя-объекта (авт.св. СССР N 1040923, кл. G 01 S 13/00, 1990).

Причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства (прототипа), заключаются в следующем. Для обеспечения надежной работы доплеровской системы возвратно-поступательное движение исследуемого отражателя-объекта должно осуществляться со значительной линейной скоростью (1,5 - 10 м/с и более, т.к. при малых скоростях преимущества доплеровского метода теряются вследствие уменьшения доплеровских сдвигов частоты, что снижает точность измерений). Это накладывает существенные ограничения на массо-габаритные характеристики системы "механизм возвратно-поступательного движения - подставка - исследуемый отражатель-объект" (во избежание деформаций и разрушений под действием инерционных сил и моментов). Кроме того, размеры исследуемого отражателя-объекта ограничены размерами безэховой камеры. Вследствие относительно небольшого расстояния между антенной и исследуемым отражателем-объектом, особенно при их максимальном сближении, возможно затенение отдельных участков объекта сложной формы, что может привести к ошибкам измерения истинного значения радиолокационной ЭРП. Кроме того, без применения специальных средств экранирования известное устройство измеряет ЭПР не самого отражателя-объекта, а ЭПР системы "механизм возвратно-поступательного движения - подставка - исследуемый отражатель-объект".

Известное устройство не может работать в полевых условиях, вследствие чего для определения отражательных свойств объектов сложной формы необходим их демонтаж, что не всегда возможно, а если и возможно, то значительно увеличивает время и трудоемкость работ по проведению измерений. При этом не может быть обеспечена достоверность результатов определения интегральной ЭПР, т. к. не учитывается взаимное влияние отдельных элементов конструкции объекта сложной формы.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка и создание радиолокационного измерительного комплекса для дистанционного измерения как локальных характеристик отражения СВЧ- радиоволн, так и интегральных диаграмм обратного отражения различных объектов, что позволяет получать радиопортреты объектов, в том числе крупногабаритных сложной формы, под различными углами визирования без их какого-либо перемещения и применения безэховой камеры.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, выражается в повышении точности получения радиопортретов объектов сложной формы как в стационарных, так и полигонных условиях.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее СВЧ-генератор, смеситель, усилитель, приемопередающую антенну, введены лазерный целеуказатель, первая и вторая видеокамеры, видеоконтрольное устройство, частотный модулятор, делитель мощности, циркулятор, аналого-цифровой преобразователь, синхронизатор, вычислитель, радиопоглощающие элементы, причем выход СВЧ-генератора соединен с входом делителя мощности, первый выход которого подключен к первому входу смесителя, а второй выход - к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с приемо-передающей антенной, а третье плечо - с вторым входом смесителя, выход которого подключен к усилителю, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу вычислителя, к второму и третьему входам которого подключены выходы соответственно первой и второй видеокамер, первый выход вычислителя соединен с входом первой видеокамеры, второй выход - с входом второй видеокамеры, третий выход - с входом лазерного целеуказазателя, четвертый выход - с входом синхронизатора, пятый выход - с видеоконтрольным устройством, первый выход синхронизатора подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя, а второй выход - к входу частотного модулятора, выход которого подключен к входу СВЧ-генератора, при этом в качестве приемопередающей антенны, которая установлена на переносной стойке и закреплена с возможностью перемещения по высоте, углу места и азимуту, использована параболическая зеркальная антенна или остроконечный пирамидальный рупор, причем приемо-передающая антенна, лазерный целеуказатель и первая видеокамера жестко связаны между собой и их оптические оси съюстированы, а вторая видеокамера установлена так, что ее оптическая ось направлена на исследуемый объект и перпендикулярна оптической оси приемо-передающей антенны.

Вычислитель содержит генератор тактовых импульсов, блок согласования, постоянное запоминающее устройство, последовательно включенные режекторный фильтр, весовой умножитель, блок конвейерного быстрого преобразования Фурье, первое пороговое устройство, второе пороговое устройство, первый коррелятор, оперативное запоминающее устройство, второй коррелятор, причем первый выход постоянного запоминающего устройства соединен с вторым входом весового умножителя, второй выход - с вторым входом первого порогового устройства, третий выход - с вторым входом второго порогового устройства, четвертый выход - с вторым входом первого коррелятора, пятый выход - с вторым входом второго коррелятора, выход которого соединен входом ПЗУ, выход блока согласования подключен к третьему входу первого коррелятора, а все указанные элементы вычислителя связаны с генератором тактовых импульсов.

Радиопоглощающие элементы выполнены в виде изготовленных из радиопоглощающих материалов матов, ковриков, экранов, штор, пены, устанавливаемых или наносимых на окружающие исследуемый объект поверхности и предметы, а также вблизи приемопередающей антенны.

Укажем на причинно-следственные связи между отличительными признаками изобретения и техническим результатом. В устройстве передача и прием сигналов производятся одной антенной с развязкой сигналов как при помощи ферритового циркулятора, так и за счет частотного разделения сигналов. Обработка сигналов, рассеянных от исследуемого объекта, выполняется с помощью вычислителя, который обеспечивает формирование радиопортрета объекта в виде пространственного распределения интенсивности локальных центров рассеяния (блестящих точек). При этом фиксируются углы визирования оптической оси приемопередающей антенны на объект и их привязка к конструктивным элементам объекта с помощью лазерного целеуказателя и видеокамер. Высокая разрешающая способность устройства обусловлена использованием остронаправленного излучения линейно-частотно-модулированных зондирующих сигналов как в режиме прожекторного, так и сфокусированного лучей, весовой обработкой принятых отраженных сигналов и режимом спектрального анализа входных данных методом быстрого преобразования Фурье. Это позволяет отселектировать по дальности, азимуту и углу места точки рассеяния на поверхности исследуемого объекта относительно установленного порога и тем самым повысить точность получения радиопортрета исследуемого объекта. Вычислитель совместно с видеокамерами и лазерным целеуказателем обеспечивает привязку результатов измерений в СВЧ-диапазоне к конкретным элементам конструкции объекта путем совмещения оцифрованных радиоизображения и видеоизображений объекта, полученных под ортогональными ракурсами с видеокамер.

Повышение точности измерений отражательных свойств объекта обусловлено, кроме того, использованием радиопоглощающих элементов, которые ослабляют ретрансляционные помехи (передатчик - земля - объект - земля - приемник), а также значительно снижают вклад посторонних предметов (например, крепежных элементов, подставок и т.п.) в создание ЭПР исследуемого объекта, существенно ослабляют влияние боковых лепестков приемо-передающей антенны.

Проведенный заявителем анализ уровня техники показал, что решения, характеризующиеся признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, отсутствуют. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

В уровне техники не выявлена известность влияния на достижение указанного технического результата преобразований, предусматриваемых совокупностью признаков, включенных в формулу изобретения. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для дистанционного измерения отражательных свойств объектов сложной формы в СВЧ-диапазоне радиоволн.

На фиг. 2 раскрыта структурная схема вычислителя, входящего в состав заявленного устройства.

На фиг. 3 схематически представлено устройство антенной системы.

На фиг. 4 изображена рупорная приемо-передающая антенна.

На фиг. 5 показаны пути прохождения отраженных от объекта истинного и ложных сигналов.

На фиг. 6 изображена структура излучаемого линейно-частотно- модулированного сигнала.

На фиг. 7 представлена осциллограмма сигнала от двух уголковых отражателей.

На фиг. 8 представлен спектр сигнала от двух уголковых отражателей.

На фиг. 9 показано взаимное расположение видеокамер.

На фиг. 10 представлен радиопортрет объекта, составленного из уголковых отражателей.

Согласно изобретению устройство для дистанционного измерения отражательных свойств объектов сложной формы в СВЧ-диапазоне радиоволн (фиг.1) содержит последовательно включенные СВЧ-генератор 1, делитель мощности 3, первый выход которого соединен с первым входом смесителя 4, а второй выход - с первым плечом циркулятора 5. Его второе плечо соединено с входом приемопередающей антенны 6, а третье плечо - с вторым входом смесителя 4, к выходу которого подключены последовательно включенные усилитель 7 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, выход которого подключен к первому входу вычислителя 9. Второй вход вычислителя 9 соединен с выходом первой видеокамеры 10, третий вход - с выходом второй видеокамеры 11. Первый и второй выходы вычислителя 9 соединены с входами соответственно первой и второй видеокамер, третий его выход - с входом лазерного целеуказателя 12, четвертый его выход - с входом синхронизатора 13, пятый его выход - с видеоконтрольным устройством (ВКУ) 14. Первый выход синхронизатора 13 подключен к второму входу АЦП 8, а второй выход к входу частотного модулятора 2, выход которого соединен с входом СВЧ-генератора.

В качестве приемопередающей антенны 6 в зависимости от цели проводимых измерений могут быть использованы параболическая зеркальная антенна или остроконечный пирамидальный рупор. В первом случае параболическое зеркало, первая видеокамера 10 и лазерный целеуказатель 12 при помощи юстированных площадок 15 жестко связаны между собой и их оптические оси съюстированы. Вторая видеокамера 11 установлена так, что ее оптическая ось в процессе измерений находится в плоскости, перпендикулярной оптической оси приемо-передающей антенны, и направлена на исследуемый объект 16 (на фиг.1 показано условно пунктирными линиями). Таким образом, первая видеокамера 10 формирует видеоизображение объекта спереди, а вторая видеокамера 11 - сбоку. При этом световое пятно на поверхности объекта, создаваемое лазерным целеуказателем 12, видно на обоих видеоизображениях, что позволяет осуществить однозначную привязку точки отражения к конкретному элементу конструкции объекта, т.к. световое пятно индицирует центр радиолокационного пятна. Если световое пятно на видеоизображении, создаваемом второй видеокамерой 11, отсутствует вследствие затенения элементом конструкции объекта (например, выступом конструкции), то вторая видеокамера 11 устанавливается по другую сторону от оси излучения приемопередающей антенны 6 симметрично первоначальному положению.

Радиопоглощающие элементы 17 выполнены в виде матов, ковриков, штор и т. п. из радиопоглощающих материалов (ОСТ 107.460007.006-92), пластин марок ХВ (ТУ 6-00-5761783-322). В диапазоне углов падения СВЧ- излучения ±З0^o такие элементы имеют коэффициент отражения порядка 20 дБ. Радиопоглощающие элементы 17 размещаются на поверхности земли возле исследуемого объекта 16, близлежащих предметах, крепежных деталях или подставках под объектом, на самом объекте (например, с целью исключить отражение от определенного участка поверхности) для максимального ослабления мешающих переизлучений. Радиопоглощающие элементы 17 располагают также рядом с приемопередающей антенной 6 с целью ослабления влияния ее боковых лепестков диаграммы направленности (до уровня порядка 40 дБ).

Радиопоглощающие элементы 17 могут быть жидкообразными в виде водной пены с добавкой какого-либо известного пеностабилизатора, наносимой на участки, отражение от которых необходимо максимально ослабить.

Вычислитель 9 (фиг. 2) содержит генератор тактовых импульсов 18, блок согласования 19, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 20, последовательно соединенные режекторный фильтр 21, весовой умножитель 22, блок конвейерного быстрого преобразования Фурье (БПФ) 23, первое пороговое устройство 24, второе пороговое устройство 25, первый коррелятор 26, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 27, второй коррелятор 28, выход которого подключен к ПЗУ 20. При этом первый, второй, третий, четвертый, пятый выходы ПЗУ 20 соединены соответственно с вторыми входами весового умножителя 22, первого 24 и второго 25 пороговых устройств, первого 26 и второго 28 корреляторов. К третьему входу первого коррелятора 26 подключен выход блока согласования 19, входы которого соединены с выходами видеокамер 10 и 11. Все элементы вычислителя связаны с генератором тактовых импульсов 18, который в свою очередь связан с ПЗУ 20 и управляется программой, хранящейся в его памяти.

Первым входом вычислителя 9 является вход режекторного фильтра 21, связанный с выходом АЦП 8, вторым и третьим входами - входы блока согласования 19, связанные с выходами видеокамер 10 и 11. Шестой, седьмой и восьмой выходы ПЗУ 20 являются первым, вторым и третьим выходами вычислителя 9, которые связаны соответственно с входами первой видеокамеры 10, второй видеокамеры 11 и лазерного целеуказателя 12. Четвертым выходом вычислителя 9 является один из выходов генератора тактовых импульсов 18, который связан с входом синхронизатора 13. Пятый выход вычислителя 9 объединяет выходы второго порогового устройства 25, первого 27 и второго 28 корреляторов, которые через коммутирующее устройство (на схеме не показано) связаны с входом ВКУ 14.

Упомянутые функциональные элементы и блоки заявленного устройства выполнены по известным правилам инженерного проектирования и могут быть изготовлены предпочтительно на элементах цифровой техники и тонкопленочной технологии. В частности, блок согласования 19 вычислителя 9 обеспечивает преобразование видеосигналов с выходов видеокамер 10 и 11 в цифровую форму и может быть реализован на стандартной компьютерной плате расширения типа Video Blaster с объемом видеопамяти не менее 1 Мб. Лазерный целеуказатель 12 может быть выполнен виде помещенного в цилиндрический корпус полупроводникового лазера (например, типа ИП-6-5/5М с длиной волны 670 нм (красный цвет) и мощностью 4 мВт) с коллиматором.

Конструктивно передающая часть устройства (блоки 1-5) выполнена в виде самостоятельного СВЧ-модуля, связанного с приемо-передающей антенной при помощи волновода и с приемной частью при помощи кабеля. Приемную часть (блоки 7, 8, 9, 13 ,14) предпочтительно реализовать на базе персонального компьютера (ПК) IВМ не ниже 386 DX2- 66 с видеоадаптером SVGA, обеспечивающего режим анализатора спектра, архивирование и отображение результатов измерений на цветном дисплее (ВКУ 14). В частности, приемная часть устройства может быть выполнена на типовой РС-плате, установленной в разъем ISA-шины ПК.

Электропитание устройства осуществляется от сети или автономного источника электроэнергии (в полевых условиях).

Приемопередающая антенна 6 (фиг.3) может быть смонтирована, например, на переносной стойке-треноге 29 с возможностью перемещения по высоте вместе со стержнем 30, углу места с помощью механизма 31 и азимуту с помощью механизма 32, а также вокруг оптической оси для изменения плоскости поляризации волны при излучении и приеме сигналов. Вручную или на подвижной платформе (например, тележке, автомобиле) стойка 29 с антенной устанавливается под различными ракурсами к исследуемому объекту на расстоянии 10-20 м (среднее расстояние 15 м).

Для измерения локальных характеристик рассеяния и получения радиопортрета исследуемого объекта используется приемо-передающая параболическая зеркальная антенна, которая при помощи арматуры 33 прикреплена к механизму 31 перемещения по углу места. К зеркалу антенны 6 жестко прикреплены на юстировочных площадках 15 первая видеокамера 10 и лазерный целеуказатель 12. При помощи юстировочных винтов оптические оси первой видеокамеры 10 и лазерного целеуказателя 12 юстируются с оптической осью параболической зеркальной антенны 6. Для измерения интегральной ЭПР исследуемого объекта используется приемо-передающая антенна, выполненная в виде остроконечного пирамидального рупора 34 (фиг. 4), который крепится к фланцу 35 волновода 36 вместо облучателя 37 зеркальной антенны и ориентируется своим раскрывом в сторону исследуемого объекта (фиг.3). С помощью механизмов 31 и 32 возможно качание диаграммы направленности приемо- передающей антенны по углу места и азимуту в пределах ±15^o вручную или механически с помощью прецизионных приводов. И в том, и в другом случаях предусмотрена фиксация значений высоты и углов поворота антенны.

Для определения локальных характеристик рассеяния необходимо знать абсолютные значения величин ЭПР этих локальных центров. С этой целью использованы эталоны с различными величинами ЭПР, в качестве которых применены уголковые отражатели. Кроме основного назначения, связанного с калибровкой шкалы измеренных ЭПР локальных центров рассеяния, уголковые отражатели используются для определения угловой разрешающей способности устройства и его динамического диапазона.

Описанное устройство для дистанционного измерения отражательных свойств объектов сложной формы в СВЧ-диапазоне радиоволн работает в двух режимах:
а) измерение интенсивности отраженных сигналов от локальных центров рассеяния (блестящих точек) на поверхности объекта с целью получения его радиопортрета;
б) измерение интегральной ЭПР объекта.

В этих режимах осуществляются измерения соответственно величин ЭПР блестящих точек и объекта в целом под различными ракурсами с привязкой результатов измерений к элементам конструкции объекта. Режимы отличаются тем, что в первом случае используется параболическая зеркальная приемо-передающая антенна (фиг.3), с помощью которой осуществляется селекция блестящих точек, их выделение на объекте и формирование с помощью вычислителя радиопортрета объекта как совокупности блестящих точек его поверхности. Во втором случае используется остроконечный пирамидальный рупор (фиг.4), с помощью которого измеряется интегральная величина ЭПР объекта под определенным ракурсом. В обоих случаях передающая и приемная части устройства работают одинаково.

Перед началом измерений отражательных свойств исследуемого объекта производится настройка и калибровка устройства. Сначала по программе осуществляют контроль внутренних шумов и запоминание их уровня в качестве порогового значения. Если уровень внутренних шумов (например, вследствие нежелательных отражений сигнала в СВЧ-тракте) превышает определенную величину, то производят поднастройку СВЧ-тракта. Затем облучают площадку, на которой будет установлен исследуемый объект, и измеряют величины отраженных сигналов под теми ракурсами, которые предусмотрены программой измерений отражательных свойств объекта. При этом отдельные участки местности и предметы (которые невозможно убрать), создающие эффект блестящих точек, укрывают радиопоглощающими элементами. Величину измеренного фонового излучения запоминают в качестве второго порогового значения. Кроме того, формируют радиопортрет этого участка местности с находящимися на нем предметами, который запоминают и используют в дальнейшем для идентификации помех при измерениях исследуемого объекта. Калибровку устройства производят по известным правилам по уголковым отражателям с известными величинами ЭПР, размещенными в пространстве, в котором будет установлен исследуемый объект.

Исследуемый объект 16 устанавливают на расчетном расстоянии l₁ от приемо-передающей антенны 6 (фиг.5). Элементы крепежа 38 (стойки, опоры и т.п.) укрывают радиопоглощающими элементами 17. Для ослабления ложных сигналов, возникающих за счет отражения от земли (когда пути прохождения сигналов, отраженных от различных точек на поверхности объекта, одинаковы: l₁=l₂+ l₃), участки трассы, в которых возможны такие отражения, заранее рассчитываются и покрываются радиопоглощающими элементами 17, преимущественно пеной.

По известным правилам производят согласование координатных систем исследуемого объекта и устройства. При этом определяются координаты характерных элементов объекта (центр тяжести, строительная ось, ось симметрии, ее направление, отдельные детали конструкции и т.п.) относительно начала системы координат, в которых работает устройство, и данные вводятся в вычислитель 9.

Устройство работает следующим образом (фиг.1).

СВЧ-генератор 1 работает в непрерывном режиме и генерирует напряжение определенной несущей частоты f₀. Под действием частотного модулятора 2 эта частота периодически изменяется по пилообразному закону от f₀ до f_n, где f_n= f₀+f_1...n Таким образом, на выходе СВЧ-генератора 1 формируется линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал. Время перестройки частоты (крутизна ЛЧМ) определяется полосой пропускания приемника, а диапазон перестройки частоты - заданной разрешающей способностью определения дальности до локальных точек рассеяния на поверхности исследуемого объекта. Эти параметры ЛЧМ-сигнала задаются синхронизатором 13 по программе, хранящейся в ПЗУ вычислителя 9. В простейшем случае частотный модулятор 2 может быть выполнен, например, в виде счетчика импульсов с интегратором, который обнуляется после накопления определенного количества импульсов, поступивших с синхронизатора 13. Пилообразное напряжение с выхода частотного модулятора 2 подается в СВЧ-генератор на варикап, изменяя по пилообразному закону его емкость и соответственно частоту генерации.

С выхода СВЧ-генератора 1 ЛЧМ-сигнал подается на делитель мощности 3, с первого выхода которого одна часть его поступает в смеситель 4 в качестве гетеродинного сигнала, а вторая часть со второго выхода - в первое плечо циркулятора 5 и далее через второе его плечо - в приемо-передающую антенну 6. Отраженный от поверхности исследуемого объекта 16 сигнал возвращается в приемо-передающую антенну 6, проходит во второе плечо циркулятора 5 и выходит из его третьего плеча, попадая в смеситель 4. Этот сигнал сдвинут относительно излученного (гетеродинного) сигнала на определенное время и соответственно по частоте. На выходе смесителя 4 формируется сигнал промежуточной частоты, значение которой пропорционально дальности R до точки отражения на поверхности объекта. Это обусловлено тем, что каждому значению дальности в пространстве соответствует определенное значение частоты модуляции ЛЧМ-сигнала (фиг. 6). Например, расстоянию R₄ соответствует сигнал с частотой f₀+f₄ и т.д. Таким образом, пространству, занимаемому исследуемым объектом 16 (рабочая зона R₄ - R₈), соответствует определенный диапазон изменения частоты ЛЧМ сигнала (F₄ - F₈). Благодаря этому обеспечивается разрешение блестящих точек по дальности на поверхности объекта.

После усиления в усилителе 7 сигнал промежуточной частоты подается в АЦП 8, где квантуется по уровням амплитуды с частотой, задаваемой синхронизатором 13. В качестве АЦП 8 могут быть использованы, например, два 8-разрядных АЦП типа К 1107 ПВ4 с частотой дискретизации 100 МГц, что обеспечивает работу в режиме реального времени. На выходе АЦП 8 формируется ступенчато изменяющееся напряжение в виде дискретных временных отсчетов, характеризующих амплитуду принятого сигнала. На фиг.7 показан пример реализации, полученной от двух уголковых отражателей с одинаковыми ЭПР (0,2 м²), находящихся на дальности 6 и 6,5 м от приемо-передающей антенны.

Это напряжение подается в вычислитель 9 на режекторный фильтр 21 (фиг. 2), который по программе настраивается так, что пропускает только те отсчеты, которые соответствуют дальностям, находящимся в рабочей зоне (фиг.6). Частоты, соответствующие дальностям R₁ - R₄ (до объекта) и R₈ - R_n (за объектом) подавляются, чем повышается помехоустойчивость приема отраженных сигналов.

С выхода режекторного фильтра 21 сигнал поступает в весовой умножитель 22, в котором временные отсчеты умножаются на весовую функцию, например функцию Хемминга, или косинус на пьедестале, или другую удобную по выбору оператора из хранящихся в ПЗУ 20. Этим достигается ослабление взаимного влияния отсчетов друг на друга и соответственно увеличивается разрешающая способность по дальности. Затем в блоке быстрого преобразования Фурье (БПФ) 23 по известным правилам осуществляется перенос сигнала из временной в частотную область. На выходе БПФ 23 формируется сигнал в виде узких импульсов (типа дельта-функции), каждый из которых соответствует определенной частоте и, следовательно, дальности, поскольку каждому значению частоты соответствует определенная дальность. При этом амплитуда импульсов не является информационным параметром для измерения дальности, хотя и зависит от последней. Ее значение в основном определяется величиной коэффициента отражения материала, из которого изготовлены элементы конструкции исследуемого объекта. Это иллюстрируется фиг.8, на которой представлен спектр сигнала, полученного от упомянутых выше 2 уголковых отражателей с ЭПР 0,2 м², находящихся на дальности 6 и 6,5 м от приемо-передающей антенны, т.е. разнесенных на расстояние 0,5 м один от другого.

Эти импульсы поступают на вход первого порогового устройства 24, в котором сравниваются с пороговым значением внутренних шумов устройства, полученным при настройке устройства и хранящимся в П3У 20. С выхода первого порогового устройства 24 выделяются импульсы, превышающие порог, и подаются на второе пороговое устройство 25. Здесь они сравниваются с вторым порогом, соответствующим фоновому излучению, и радиопортретом участка местности, измеренным при настройке устройства и хранящимся в ПЗУ 20. При этом на выход второго порогового устройства не проходят импульсы, являющиеся мешающими сигналами (отраженными от посторонних предметов на трассе распространения радиоволн).

С выхода второго порогового устройства 25 сигнал поступает на первый коррелятор 26 и ВКУ (дисплей) 14. Наблюдая форму спектра принятого сигнала (фиг. 8), оператор может предварительно оценить коэффициент отражения блестящей точки, ее ориентировочные координаты и местоположение на поверхности объекта.

С помощью клавиатуры или манипулятора типа "мышь" оператор вводит в вычислитель 9 (первый 26 и второй 28 корреляторы) параметры ракурса облучаемой точки на поверхности объекта относительно устройства (приемо-передающей антенны): азимут α , угол места β , высота H, дальность D, азимут антенны α_а , угол места антенны β_а , высота установки антенны H_а.

В первом корреляторе 26 по алгоритму, хранящемуся в ПЗУ 20, осуществляется совмещение полученных частотных отсчетов с оптическим изображением объекта, которое в цифровой форме после обработки в блоке согласования 19 поступает от первой 10 и второй 11 видеокамер. Эти видеокамеры создают изображения соответственно фронтальной и ортогональной ей боковой проекций исследуемого объекта 16 (фиг.9). При этом на обеих проекциях в одной и той же точке поверхности объекта индицируется видимое (в красном цвете) пятно 39 от луча лазерного целеуказателя 12. Это лазерное пятно находится в центре пятна от радиолуча в результате юстировки оптических осей приемо-передающей антенны 6, первой видеокамеры 10 и лазерного целеуказателя 12. Сравнивая изображения ортогональных проекций объекта, можно легко определить координаты лазерного пятна и, следовательно, идентифицировать полученные частотные отсчеты, т. е. привязать частотные отсчеты к соответствующим элементам рассеяния (блестящим точкам) на поверхности объекта.

В первом корреляторе 26 частотные отсчеты и цифровые изображения объекта подвергаются совместной обработке по разработанному авторами алгоритму, в результате чего формируется сигнал, пропорциональный ЭПР участка поверхности объекта, ограниченного пятном от радиолуча, определяются параметры сигнала данного элемента разрешения (амплитуда, азимут α , угол места β , дальность D, высота H). Эта информация вводится в ОЗУ 27, одновременно индицируется на ВКУ (дисплее) 14 и оператор может идентифицировать соответствующий частотный отсчет с определенной точкой, отмеченной наблюдаемым лазерным пятном на поверхности объекта.

При одном и том же ракурсе облучения объекта оператор, изменяя азимут, угол места, высоту установки приемо-передающей антенны, последовательно "просматривает" всю поверхность объекта, контролируя перемещение радиолуча по местоположению лазерного пятна. Таким образом, в ОЗУ 27 записывается информация о параметрах сигналов от всех блестящих точек на поверхности объекта для данного ракурса.

Затем приемо-передающая антенна переставляется, объект облучается под новым ракурсом, процесс измерений повторяется и результаты запоминаются в ОЗУ 27. Накопленная информация о параметрах сигналов, полученных при различных ракурсах облучения объекта, вводится во второй коррелятор 28, где подвергается совместной корреляционной обработке. На выходе коррелятора 28 формируется многомерный сигнал, характеризующий закон поведения каждой блестящей точки в зависимости от изменения ракурса облучения объекта. Эта информация вводится в ПЗУ 20 для хранения и дальнейшего использования.

Программа отображения результатов измерений обеспечивает высвечивание на ВКУ (дисплее) 14 данных, которые могут быть представлены в виде, например, графика - дальность, ЭПР; трехмерного изображения в координатах - дальность, угол места, ЭПР (для определенного азимута) и т.п.

Для примера на фиг.10 представлен результат измерений отражательных свойств объекта, составленного из 7-ми уголковых отражателей, имеющих одинаковые ЭПР (0,2 м²) и установленных на различных дальностях от приемо-передающей антенны. Данный радиопортрет объекта представляет собой трехмерное изображение в координатах - амплитуда, азимут, угол места (для определенной дальности). Видно, что угловое разрешение элементов рассеяния (блестящих точек) весьма высокое, а в среде, в которой находятся уголковые отражатели, имеются участки, как отражающие, так и поглощающие электромагнитную энергию. Это особенно заметно и эффектно на цветном дисплее.

При измерении интегральной ЭПР, когда излучение и прием сигналов осуществляются с помощью рупорной антенны, первый коррелятор не производит привязку частотных отсчетов к конкретным точкам конструкции объекта, т.к. рупорная антенна не обеспечивает разрешения по азимуту и углу места. Функция первого коррелятора 26 в этом режиме заключается в привязке результата измерения к ракурсу облучения объекта. По изображениям проекций объекта от первой 10 и второй 11 видеокамер оператор контролирует точность наводки рупора на объект по местоположению лазерного пятна на его поверхности. Величина интегральной ЭПР объекта определяется путем интегрирования полученных отсчетов по разработанному авторами алгоритму.

При использовании устройства в качестве дефектоскопа оно предварительно калибруется по поверхности материала-эталона, затем параболической зеркальной антенной сканируют поверхность исследуемого материала, измеряют модуль коэффициента отражения точек поверхности и их координаты и формируют радиопортрет поверхности материала. Сравнивая полученный радиопортрет с эталонным, судят о наличии дефектов поверхности материала.

Для измерения влажности почвы, толщины льда или снега устройство размещают на возвышенности или летательном аппарате (вертолете) и аналогично измеряют коэффициент отражения с привязкой результатов к характерным ориентирам на местности.

Вышеизложенные сведения подтверждают, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно для создания радиоизмерительной техники. Для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов. Средство, воплощающее изобретение, способно обеспечить достижение указанного в заявке технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для дистанционного измерения отражательных характеристик объектов сложной формы в СВЧ-диапазоне радиоволн. Устройство содержит СВЧ-генератор, частотный модулятор, делитель мощности, циркулятор, приемопередающую антенну, выполненную с возможностью перемещения по высоте, углу места и азимуту, смеситель, связанный по входам с делителем мощности и циркулятором, а по выходному подсоединенный к вычислителю через усилитель и аналого-цифровой преобразователь. К вычислителю подключены также две видеокамеры, лазерный целеуказатель, видеоконтрольное устройство и синхронизатор, подключенный своими выходами к аналого-цифровому преобразователю и частотному модулятору. При этом приемо-передающая антенна, лазерный целеуказатель и одна из видеокамер жестко связаны между собой и их оптические оси съюстированы, а поверхности и предметы, окружающие исследуемый объект и вблизи приемопередающей антенны, экранируются радиопоглощающими элементами, имеющими различные виды выполнения. 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для дистанционного измерения отражательных свойств объектов сложной формы в СВЧ диапазоне радиоволн, содержащее СВЧ генератор, смеситель, усилитель, приемопередающую антенну, отличающееся тем, что в него введены лазерный целеуказатель, первая и вторая видеокамеры, видеоконтрольное устройство, частотный модулятор, делитель мощности, циркулятор, аналого-цифровой преобразователь, синхронизатор, вычислитель, радиопоглощающие элементы, причем выход СВЧ генератора соединен с входом делителя мощности, первый выход которого подключен к первому входу смесителя, а второй выход - к первому плечу циркулятора, второе плечо которого соединено с приемопередающей антенной, а третье плечо - с вторым входом смесителя, выход которого подключен к усилителю, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к первому входу вычислителя, к второму и третьему входам которого подключены выходы соответственно первой и второй видеокамер, первый выход вычислителя соединен с входом первой видеокамеры, второй выход - с входом второй видеокамеры, третий выход - с входом лазерного целеуказателя, четвертый выход - с входом синхронизатора, пятый выход - с видеоконтрольным устройством, первый выход синхронизатора подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя, а второй выход - к входу частотного модулятора, выход которого подключен к входу СВЧ генератора, при этом приемопередающая антенна установлена на переносной стойке и закреплена с возможностью перемещения по высоте, углу места и азимуту, причем приемопередающая антенна, лазерный целеуказатель и первая видеокамера жестко связаны между собой и их оптические оси съюстированы, а вторая видеокамера установлена так, что ее оптическая ось направлена на исследуемый объект и перпендикулярна оптической оси приемопередающей антенны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемопередающая антенна выполнена в виде параболической зеркальной антенны. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемопередающая антенна выполнена в виде остроконечного пирамидального рупора. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вычислитель содержит генератор тактовых импульсов, блок согласования, постоянное запоминающее устройство, последовательно включенные режекторный фильтр, весовой умножитель, блок конвейерного быстрого преобразования Фурье, первое пороговое устройство, второе пороговое устройство, первый коррелятор, оперативное запоминающее устройство, второй коррелятор, причем первый выход постоянного запоминающего устройства соединен с вторым входом весового умножителя, второй выход - с вторым входом первого порогового устройства, третий выход - с вторым входом второго порогового устройства, четвертый выход - с вторым входом первого коррелятора, пятый выход - с вторым входом второго коррелятора, выход которого соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход блока согласования подключен к третьему входу первого коррелятора, а все указанные элементы вычислителя связаны с генератором тактовых импульсов, при этом вход режекторного фильтра является первым входом вычислителя, вторым и третьим его входами являются соответственно первый и второй входы блока согласования, шестой, седьмой и восьмой выходы постоянного запоминающего устройства являются соответственно первым, вторым и третьим выходами вычислителя, его четвертый выход связан с генератором тактовых импульсов, а пятый выход - с выходами второго порогового устройства, первого и второго корреляторов. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиопоглощающие элементы выполнены в виде изготовленных из радиопоглощающих материалов матов. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиопоглощающие элементы выполнены в виде изготовленных из радиопоглощающих материалов ковриков. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиопоглощающие элементы выполнены в виде изготовленных из радиопоглощающих материалов экранов. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиопоглощающие элементы выполнены в виде изготовленных из радиопоглощающих материалов штор. 9. Устройство по любому из пп.1, 5 - 8, отличающееся тем, что радиопоглощающие элементы установлены на окружающие исследуемый объект поверхности и предметы, а также вблизи приемопередающей антенны. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиопоглощающие элементы выполнены в виде радиопоглощающей водной пены, наносимой на окружающие исследуемый объект поверхности и предметы, а также вблизи приемопередающей антенны.