СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОГОЛОГРАММЫ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01S13/89 

Группа изобретений относится к области радиовидения и может быть использована при проектировании радиотехнических систем, действие которых основано на восстановлении «оптического» изображения объекта по его радиоголограмме.

Известен способ формирования радиоголограммы (Сафронов Г.С., Сафронова А.П. Введение в радиоголографию. М., «Сов. Радио», 1973, с. 12, с. 213, рис. 3.8), основанный на облучении объекта полностью поляризованной электромагнитной волной W₁, формировании радиоголограммы объекта путем последовательной во времени регистрации дискретного амплитудно-фазового распределения отраженной от объекта электромагнитной волны W₂ по некоторой пространственной области, при этом фаза отраженной электромагнитной волны W₂ измеряется относительно фазы источника возбуждения электромагнитной волны W₁, а для снижения уровня помех на выходе отдельного канала регистрации используется супергетеродинный метод усиления и детектирования слабых сигналов.

К недостаткам способа относятся:

- сравнительно большое время формирования радиоголограммы (порядка одной секунды), что определяется последовательным во времени формированием отдельных фрагментов радиоголограммы и реально достижимой скоростью работы устройств формирования и обработки аналоговых и цифровых сигналов, а также наличие механических устройств позиционирования приемо-передающих электромагнитных датчиков, реализующих способ;

- необходимость пространственного перемещения приемных антенн реализующего способ устройства;

- необходимость фиксации объекта (человека) в определенной пространственной области на интервале времени формирования радиоголограммы;

- высокая стоимость отдельного канала приема и первичной обработки отраженного от объекта сигнала, а также схемы разводки опорного сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала на все каналы приема.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ формирования радиоголограммы и устройство для его реализации (Сафронов Г.С., Сафронова А.П. Введение в радиоголографию. М., «Сов. Радио», 1973, стр. 12, стр. 212, рис. 3.6), выбранный в качестве прототипа. Способ основан на облучении объекта полностью поляризованной электромагнитной волной W₁, облучении некоторой пространственной области опорной, полностью поляризованной электромагнитной волной W₂ (сигнал «подсветки»), когерентной с электромагнитной волной W₁ (при этом используется один генератор электромагнитной волны, который возбуждает два излучателя, один из которых направлен на объект, а другой - на пространственную область, в которой регистрируется радиоголограмма объекта), измерении дискретного распределения суммарной интенсивности J(x, y) отраженной от объекта электромагнитной волны W₃ и электромагнитной волны W₂ по пространственной области путем одновременного измерения суммарной интенсивности J(x, y) в каждом из «дискретов» пространственной области, формировании радиоголограммы объекта как функции дискретного распределения величины отклонения суммарной интенсивности J(x, y) относительно среднего значения. Под дискретным распределением понимается функция распределения интенсивности J(x, y) в отдельных точках пространственной области с координатами (x, y). Количество и координаты этих точек определяются исходя из длины волны облучения и взаимного пространственного положения пространственной области и объекта. При этом необходимое количество точек регистрации интенсивности J(x, y) в пространственной области определяет количество приемных каналов в устройстве, реализующем способ.

Устройство, реализующее способ-прототип (фиг. 2), включает в себя n приемных каналов, каждый из которых состоит из приемной антенны, выход которой подключен ко входу амплитудного детектора, излучатели, входы которых подключены к выходу генератора радиосигнала, аналоговый n-канальный мультиплексор, входы которого подключены к выходам амплитудных детекторов приемных каналов, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого соединен с выходом мультиплексора, регистрирующее цифровое устройство, при этом цифровой выход АЦП подключен к цифровому входу регистрирующего цифрового устройства, цифровой управляющий выход которого подключен к цифровому управляющему входу мультиплексора, а выход тактового сигнала регистрирующего цифрового устройства подключен к тактовому входу АЦП.

К недостаткам известной группы технических решений относятся высокий уровень помех на выходе приемного канала системы регистрации радиоголограммы.

Выражение для выходного сигнала U(x, y)~J(x, y) амплитудного детектора при подаче на его вход (с выхода антенны) суммы двух сигналов с одинаковой частотой ω и разными амплитудами и фазами, считая амплитудную характеристику детектора квадратичной (режим низкого уровня входного сигнала), с точностью до постоянного коэффициента размерности, имеет вид:

где А(х, y) - амплитуда сигнала на выходе антенны при приеме отраженной электромагнитной волны W₃ в точке, с координатами (х, у);

φ(х, y) - фаза электромагнитной волны W₃ относительно электромагнитной волны W₂ в точке, с координатами (х, y);

А₀ - амплитуда сигнала на выходе антенны при приеме электромагнитной волны W₂;

Ф(t) - низкочастотный фликкер-шум (Коган Ш.М. Низкочастотный токовый шум со спектром типа 1/f в твердых телах, «УФН», 1985, т. 145, в. 2, с. 285; Weissman М.В. 1/F noise and other slow, nonexponential kinetics in condensed matter, «Rev. Mod. Phys.», 1988, v. 60, №2, c. 537);

ξ(t) - тепловой «белый» шум приемного канала.

Знак «черта» означает усреднение на некотором временном интервале, существенно большем, чем период электромагнитных волн W₂ и W₃; составляющая, описываемая функцией R(x, y), - полезная компонента сигнала U(x, y), являющаяся радиоголограммой объекта.

Из выражения (1) следует, что метод прямого детектирования обусловливает высокий уровень собственных помех отдельного приемного канала регистрации радиоголограммы, в силу того что в выходном сигнале присутствует как полезный сигнал (составляющая R(x, y)=2A₀·A(x, y)·cosφ(x, y)), отображающий результат интерференции отраженного и опорного сигналов системы, так и мешающие сигналы (помехи), составляющие амплитуды которых пропорциональны интенсивности отраженного сигнала электромагнитной волны W₃, сигнала «подсветки» электромагнитной волны W₂ и мощности фликкер-шума и теплового шума соответственно.

Отфильтровать полезный сигнал от помех, так как помехи представляют собой постоянные напряжения, как и полезный сигнал, и разделить их после суммирования невозможно. Увеличение постоянной времени усреднения не ведет к уменьшению фликкер-шума, поскольку его интенсивность растет с понижением частоты.

Высокий уровень помех на выходе каналов регистрации чрезвычайно затрудняет калибровку радиотехнической системы, снижает качество формируемого изображения и ограничивает максимальную дальность действия устройства формирования радиоголограммы объекта, поскольку полезный сигнал маскируется неустранимыми помехами.

Снижение уровня помех канала формирования радиоголограммы путем применения супергетеродинных методов переноса отраженного сигнала на выходе антенны на промежуточную частоту (как это сделано в способе-аналоге) невозможно из-за резкого удорожания устройства, поскольку в каждый из каналов необходимо ввести высокочастотный смеситель (фазовый СВЧ-детектор) и осуществить разводку СВЧ-сигнала гетеродина на все каналы приема отраженной электромагнитной волны W₃. При рабочей частоте 10÷40 ГГц и необходимом количестве каналов порядка сотен тысяч (и даже нескольких миллионов) стоимость такой системы становится неприемлемо высокой для широкого применения.

Ограничение максимальной дальности объекта от регистрирующей поверхности существенно ограничивает область применения указанных способа формирования радиоголограммы объекта и устройства для его реализации, например, в досмотровых системах реального времени, не требующих «узкой» локализации объекта в пространстве и фиксации его положения.

Основной технической задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является значительное снижение уровня помех на выходе отдельного канала формирования радиоголограммы без качественного увеличения стоимости.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования радиоголограммы объекта, включающем облучение объекта монохроматической полностью поляризованной электромагнитной волной W₁ с частотой f₁, облучение пространственной плоскости или некоторой криволинейной поверхности, в которой регистрируется радиоголограмма объекта, монохроматической полностью поляризованной электромагнитной волной W₂, при этом поляризации электромагнитных волн W₁ и W₂ произвольные и независимые, формирование сигнала U(x, y), пропорционального интенсивности суммы отраженной от объекта электромагнитной волны W₃ и электромагнитной волны W₂, для каждой из точек плоскости или криволинейной поверхности, в которых регистрируют радиоголограмму, согласно предложенному решению частота f₂ электромагнитной волны W₂ не равна частоте f₁ электромагнитной волны W₁, формируют сигнал U₀, пропорциональный интенсивности суммы электромагнитных волн W₁ и W₂, выделяют из сигнала U₀ спектральную составляющую с разностной частотой формируют радиоголограмму объекта как двумерную функцию распределения по плоскости или криволинейной поверхности величины взаимной интенсивности G(x, y) сигналов U(x, y) и спектральной составляющей по формуле:

,

где знак черты означает усреднение на временном интервале Т, удовлетворяющем условию:

при этом интервал усреднения Т₀ при формировании сигнала U(x, y) удовлетворяет условию:

и выполняется неравенство:

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве формирования радиоголограммы объекта, содержащем регистрирующую матрицу, образованную совокупностью n приемных каналов, каждый из которых включает в себя приемную антенну и амплитудный детектор, причем выход приемной антенны соединен со входом амплитудного детектора, излучатели, генератор радиосигнала, выход которого подключен ко входу одного из излучателей, аналоговый n-канальный мультиплексор, входы которого соединены с выходами приемных каналов соответственно, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом аналогового n-канального мультиплексора, регистрирующее цифровое устройство, ко входу которого подключен цифровой выход аналого-цифрового преобразователя, при этом управляющий выход регистрирующего цифрового устройства подключен к управляющему входу аналогового n-канального мультиплексора, а выход тактового сигнала регистрирующего цифрового устройства подключен к тактовому входу аналого-цифрового преобразователя, согласно предложенному решению в него введены второй генератор радиосигнала, выход которого соединен со входом другого излучателя, формирователь сигнала разностной частоты, входы которого соединены с выходами генераторов радиосигналов соответственно, в каждый из n приемных каналов введен синхронный детектор и фильтр низких частот, вход синхронного детектора соединен с выходом амплитудного детектора, выход синхронного детектора соединен со входом фильтра низких частот, вход опорного сигнала синхронного детектора соединен с выходом формирователя сигнала разностной частоты, при этом выходы фильтров низких частот являются выходами приемных каналов.

Заявленные способ и устройство взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел, следовательно, данная группа изобретений удовлетворяет требованию единства изобретения.

Изобретение поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг. 2 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ-прототип; на фиг. 3 - геометрия расположения регистрирующей матрицы, излучателей и объекта в заявляемом способе, на фиг. 4 - пример одного из возможных вариантов конкретной реализации приемного канала в заявляемом устройстве.

Устройство (фиг. 1) содержит регистрирующую матрицу, образованную совокупностью n приемных каналов 1, каждый из которых включает в себя приемную антенну 2, амплитудный детектор 3, синхронный детектор 4, фильтр нижних частот 5, излучатели 6 и 7, генератор радиосигнала 8, второй генератор радиосигнала 9, формирователь сигнала разностной частоты 10, аналоговый n-канальный мультиплексор 11, аналого-цифровой преобразователь 12, регистрирующее цифровое устройство 13. В приемных каналах 1 выход приемной антенны 2 соединен со входом амплитудного детектора 3, выход которого соединен со входом синхронного детектора 4. Выход синхронного детектора 4 соединен со входом фильтра низких частот 5, выход которого является выходом приемного канала 1. Выходы генератора радиосигнала 8 и второго генератора радиосигнала 9 подключены ко входам излучателей 6 и 7 соответственно. Входы формирователя сигнала разностной частоты 10 подключены к выходам генераторов радиосигнала 8 и 9, а выход его подключен к опорным входам синхронных детекторов 4 приемных каналов 1. Входы аналогового n-канального мультиплексора 11 соединены с выходами приемных каналов 1 соответственно. Вход аналогово-цифрового преобразователя 12 соединен с выходом аналогового n-канального мультиплексора 11. Цифровой выход аналогово-цифрового преобразователя 12 подключен к цифровому входу регистрирующего цифрового устройства 13, цифровой управляющий выход которого подключен к цифровому управляющему входу аналогового n-канального мультиплексора 11, а выход тактового сигнала которого подключен к тактовому входу аналогово-цифрового преобразователя 12.

Заявленный способ реализуется при помощи устройства следующим образом. Излучатель 6, возбуждаемый генератором радиосигнала 8, излучает в направлении объекта электромагнитную волну W₁ с частотой f₁. Одновременно с этим излучатель 7, возбуждаемый вторым генератором радиосигнала 9, излучает электромагнитную волну W₂ с частотой f₂ в направлении регистрирующей матрицы. Отраженная от объекта электромагнитная волна W₃ с частотой f₁ также падает на раскрыв регистрирующей матрицы. При этом в каждой точке (с координатами (х, y)) раскрыва регистрирующей матрицы имеют место биения с частотой интенсивности U(x, y) суммы двух электромагнитных волн W₃ и W₂ с частотами f₁ и f₂ соответственно. Фаза сигнала биений относительно выходного сигнала формирователя сигнала разностной частоты 10 зависит от положения (координат) точки на поверхности раскрыва регистрирующей матрицы, а амплитуда этих биений определяется амплитудой отраженной электромагнитной волны W₃ (при фиксированной амплитуде электромагнитной волны W₂). Таким образом, радиоголограмма объекта отображается в распределении фазы и амплитуды сигнала биений по раскрыву регистрирующей матрицы, при этом в общем случае сигнал U′(x, y), пропорциональный интенсивности суммы электромагнитных волн W₃ и W₂, с точностью до постоянного коэффициента размерности, описывается выражением:

где

A₀ - интенсивность электромагнитной волны W₂,

А(х, y) - интенсивность отраженной электромагнитной волны W₃ в точке, с координатами (x, y),

R(x, y) - радиосигнал (сигнал биений), амплитуда А(х, y) и фаза φ(х, y) которого отображают радиоголограмму объекта.

Для формирования сигнала U(x, y) используют приемную антенну 2, производящую прием двух электромагнитных волн W₃ и W₂, и амплитудный детектор 3. При этом на выходе амплитудного детектора 3 формируется сигнал U(x, y), описываемый выражением:

где составляющая Ф(t) описывает напряжение смещения диода амплитудного детектора 3 и его фликкер-шум, а составляющая ξ(t) - это тепловой шум приемного канала. Для формирования радиоголограммы в синхронном детекторе 4 производится перемножение выходного сигнала U(x, y) амплитудного детектора 3 на сигнал с частотой вырабатываемый формирователем сигнала разностной частоты 10. При этом на выходах фильтров низких частот 5 каждого из приемных каналов 1, приемные антенны 2 которых расположены в точках с координатами (х, y), формируется напряжение, пропорциональное величине взаимной интенсивности G(x, y), описываемое выражением:

где ξ′(t) - тепловой шум приемного канала в полосе фильтра низких частот 5.

Распределение величины этого напряжения по раскрыву регистрирующей матрицы и является радиоголограммой объекта.

Поскольку информация о радиоголограмме в виде величин А(х, y) и φ(х, y) содержится только в сигнале биений, в узкой полосе спектра в окрестности частоты биений Δf, все помехи на выходе синхронного детектора 4 сильно подавлены, поскольку мощность этих помех мала в полосе спектра полезного сигнала, определяемой временем усреднения результата перемножения в выражении (4), т.е. полосой фильтра низких частот 5. Отметим, что сказанное справедливо в отношении компоненты Ф(t) тогда, когда значение частоты Δf много больше ширины спектра фликкер-шума (порядка 1 кГц), что всегда можно обеспечить.

Таким образом, исходя из вышеизложенного можно утверждать, что уровень помех на выходе каналов регистрации радиоголограммы в заявляемой группе изобретений существенно ниже, чем в аналогах и прототипе за счет разнесения частот электромагнитных волн W₁ и W₂ области регистрации радиоголограммы.

Как и в способе-прототипе, для формирования «оптического» изображения объекта производится двумерная свертка полученной радиоголограммы G(x, y) с радиоголограммой блестящей точки (двумерной опорной функцией), предварительно рассчитанной исходя из конкретной геометрии взаимного расположения точек излучения электромагнитных волн W₁ и W₂, области, в которой размещается объект и значений частот монохроматических электромагнитных волн W₁ и W₂. В качестве доказательства возможности практической реализации заявляемых технических решений на фиг. 4, в качестве примера, представлена схема одного из возможных вариантов конкретной реализации приемного канала 1. Схема работает следующим образом. Сигнал, наведенный в приемной антенне 2, например дипольного типа, усиливается усилителем на транзисторе V1 и детектируется «низкобарьерным» диодом D, при этом на конденсаторе С_Ф1 формируется сигнал U′(x, y), содержащий составляющую, амплитуда которой пропорциональна интенсивности поля, облучающего диполь. Усилитель на транзисторе V1 и диод D образуют амплитудный детектор 3. Индуктивности L выполняют роль дросселей. Конденсатор С_Ф1 и сопротивление R_Ф1 выбраны так, что выполняется соотношение и переменная составляющая сигнала U′(x, y) с частотой Δf беспрепятственно проходит через конденсатор С₁ на вход синхронного детектора 4, реализованного на операционном усилителе А1 и транзисторе V2. Ключ, выполненный на транзисторе V2, управляет полярностью выходного сигнала усилителя А1. Когда транзистор V2 открыт, неинвертирующий вход усилителя А1 замкнут на землю и переменная составляющая сигнала U′(x, y) проходит на выход усилителя А1 инвертированной. Когда ключ разомкнут, переменная составляющая сигнала U′(x, y) проходит на выход усилителя А1 неинвертированной. Выходной сигнал усилителя А1 фильтруется фильтром низких частот 5, образованным конденсатором С_Ф2 и сопротивлением R_Ф2, постоянная времени которого удовлетворяет соотношению и поступает на соответствующий вход аналогового мультиплексора 11. Поскольку смена полярности переменной составляющей сигнала U′(x, y) производится с частотой сигнала на выходах фильтров низких частот 5 (R_Ф2, C_Ф2) каждого из приемных каналов 1 формируется постоянное напряжение, пропорциональное величине взаимной интенсивности G(x, y) в выражении 4, распределение которого по раскрыву регистрирующей матрицы и является радиоголограммой объекта.

Постоянная времени цепи τ₂=R_Ф2·С_Ф2 определяет полосу фильтрации переменной составляющей R(x, y) в выражении 2, и максимальное значение величины τ₂ ограничено только скоростью изменения положения объекта относительно области регистрации (скоростью изменения радиоголограммы объекта).

Схема приемного канала 1 регистрирующей матрицы (фиг. 4) проста, не требует значительных затрат на ее реализацию. Поскольку опорный сигнал, который разводится на ключи приемных каналов, низкочастотный (его частота Δf может быть выбрана в пределах 0,1÷1 МГц), разводка может быть выполнена печатным монтажом и также не требует значительных затрат.

Заявляемая группа изобретений решает поставленную техническую задачу - снижения уровня помех на выходе отдельного канала формирования радиоголограммы без качественного увеличения его стоимости.

Технический результат заключается в возможности практической реализации малошумящих матричных регистрирующих экранов для широкодоступных радиоголографических систем, не содержащих в своем составе механических сканирующих элементов и формирующих изображение объекта в реальном времени (в темпе телевизионного изображения).

Группа изобретений относится к области радиовидения и может быть использована при проектировании радиотехнических систем. Достигаемый технический результат - снижение уровня помех на выходе отдельного канала формирования радиоголограммы без качественного увеличения его стоимости. Указанный результат достигается за счет разноса частот электромагнитной волны W₁, которой облучают объект, и электромагнитной волны W₂, которой облучают пространственную плоскость или некоторую криволинейную поверхность, на величину Δf, формирования радиоголограммы объекта в виде амплитудно-фазового распределения сигнала биений с разностной частотой Δf амплитуды суммы отраженной от объекта электромагнитной волны W₃ и электромагнитной волны W₂ по области регистрации радиоголограммы, зафиксированного относительно сигнала с частотой f₀=Δf. При этом на выходе отдельного канала регистрации радиоголограммы отсутствуют фликкер-шум и постоянная составляющая, обусловленная мощностью электромагнитной волны W₂, что позволяет повысить чувствительность регистрирующей матрицы без качественного увеличения ее стоимости. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ формирования радиоголограммы объекта, включающий облучение объекта монохроматической полностью поляризованной электромагнитной волной W₁ с частотой f₁, облучение пространственной плоскости или некоторой криволинейной поверхности, в которой регистрируется радиоголограмма объекта, монохроматической полностью поляризованной электромагнитной волной W₂, при этом поляризации электромагнитных волн W₁ и W₂ произвольные и независимые, формирование сигнала U(x, y), пропорционального интенсивности суммы отраженной от объекта электромагнитной волны W₃ и электромагнитной волны W₂, для каждой из точек плоскости или криволинейной поверхности, в которых регистрируют радиоголограмму, отличающийся тем, что частота f₂ электромагнитной волны W₂ не равна частоте f₁ электромагнитной волны W₁, формируют сигнал U₀, пропорциональный интенсивности суммы электромагнитных волн W₁ и W₂, выделяют из сигнала U₀ спектральную составляющую с разностной частотой формируют радиоголограмму объекта как двумерную функцию распределения по плоскости или криволинейной поверхности величины взаимной интенсивности G(x, y) сигналов U(x, y) и спектральной составляющей , по формуле:
,
где знак черты означает усреднение на временном интервале Т, удовлетворяющем условию:

при этом интервал усреднения Т₀ при формировании сигнала U(x, y) удовлетворяет условию:

и выполняется неравенство:

2. Устройство формирования радиоголограммы объекта, содержащее регистрирующую матрицу, образованную совокупностью n приемных каналов, каждый из которых включает в себя приемную антенну и амплитудный детектор, причем выход приемной антенны соединен со входом амплитудного детектора, излучатели, генератор радиосигнала, выход которого подключен ко входу одного из излучателей, аналоговый n-канальный мультиплексор, входы которого соединены с выходами приемных каналов соответственно, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом аналогового n-канального мультиплексора, регистрирующее цифровое устройство, ко входу которого подключен цифровой выход аналого-цифрового преобразователя, при этом управляющий выход регистрирующего цифрового устройства подключен к управляющему входу аналогового n-канального мультиплексора, а выход тактового сигнала регистрирующего цифрового устройства подключен к тактовому входу аналого-цифрового преобразователя, отличающийся тем, что в него введены второй генератор радиосигнала, выход которого соединен со входом другого излучателя, формирователь сигнала разностной частоты, входы которого соединены с выходами генераторов радиосигналов соответственно, в каждый из n приемных каналов введены синхронный детектор и фильтр низких частот, вход синхронного детектора соединен с выходом амплитудного детектора, выход синхронного детектора соединен со входом фильтра низких частот, вход опорного сигнала синхронного детектора соединен с выходом формирователя сигнала разностной частоты, при этом выходы фильтров низких частот являются выходами приемных каналов.