ТРЕХМЕРНАЯ СИСТЕМА ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО РАДИОВИДЕНИЯ ДЛЯ ДОСМОТРА Российский патент 2018 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к области измерительной техники, точнее к радиоэлектронике и радиолокации малой дальности, и может быть использовано для обнаружения оружия и взрывчатых веществ в местах скопления людей в аэро- и морских портах, вокзалах, стадионах, в особо охраняемых объектах, например, АЭС и т.д. Также может быть использовано и в других областях, например в дефектоскопии, геолокации, медицине и пр.

В настоящее время системы радиовидения имеют множество перспективных предложений: контроль качества различных материалов, конструкций и сооружений, медицинская диагностика.

Благодаря развитию вычислительных средств стало возможным применение методов радиоволновой томографии как средств дистанционного неразрушающего контроля и диагностики внутренней структуры полупрозрачных для радиоизлучения средств и восстановления формы непрозрачных объектов. Задача радиовидения заключается в пересчете данных, полученных на основе разностороннего сканирования исследуемых объектов.

Общей проблемой создания подобных устройств является уменьшение габаритно-массовых характеристик, повышение разрешающей способности, снижение себестоимости, исключение вредного физического воздействия на человека.

Известен прибор «Ручной сканер И-СКАН4М», который относится к досмотровому оборудованию и в режиме реального времени позволяет дистанционно распознавать на теле человека различные предметы и вещества, в том числе металлические и герметично упакованные, см. E-mail: info@iscansystems.ru

Недостаток: это ручной конструктив, значит, его эффективность досмотра зависит от умения и навыков оператора, следовательно, последний может ошибаться в процессе работы, особенно в конце смены, также при плохом самочувствии и прочих субъективных факторах, например, при естественном или умышленном отвлечении от работы.

Известна американская система US 7.683.822 от 2007 г. (опубликован в 2010 г.), класс США 342/22 «Method and system for Remotely Detecting Metall Items, в которой сканируют электромагнитным излучением контролируемое пространство, в котором могут находиться металлические или из другого материала предметы, при этом осуществляют следующие действия:

- в качестве электромагнитного излучения используют непрерывный частотно-модулированный сверхвысокочастотный сигнал;

- в процессе запоминают отраженные сигналы по амплитуде для всех направлений излучения;

- по определенному алгоритму строят в процессоре ПК цифровое изображение и по нему судят об обнаруженном предмете.

Эта система имеет следующие недостатки:

- недостаточная разрешающая способность;

- высокий уровень шумов;

- высокая стоимость (до 100000$).

Известна технология «Smart Radar», по которой в заданном диапазоне частот последовательно излучаются импульсы, отражаясь от распознаваемого объекта, они принимаются, анализируются как изменение амплитуды и фазы принимаемого сигнала по отношению к исходному. На основании этих параметров определяются физические свойства объекта, такие как электропроводность, диэлектрическая проницаемость, а также определяется расстояние до объекта, см. http://www.iscansysteams.ru/t_advantages.html.

Недостатки: сложное и достаточно спорное техническое решение, также высокая стоимость, до 50000$.

Наиболее близким техническим решением является «Радар малой дальности» фирмы ООО «РадиоВижн», Россия, см. www.radio-vision.ru. Принцип работы этого радара заключается в сканировании пространства узконаправленным непрерывным линейным частотно-модулированным сигналом. Радар сканирует пространство электромагнитной волной одновременно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, формируя сканирующий луч и примерную диаграмму направленности при помощи фазированной антенной решетки (ФАР), передающей и приемной. Результат отображается на мониторе в 3D/2D виде с частотой до 15 кадров в секунду.

При всех своих достоинствах этого радара он имеет следующие недостатки:

- низкая разрешающая способность (40 см);

- применение передающей и приемной ФАР требует очень тщательной их настройки, тоже относится к регуляторам фаз, что приводит к неоправданному техническому усложнению устройства;

- узкополосный сигнал, скорее, приведет к снижению помехозащищенности, чем к ее увеличению, как утверждают авторы.

Технической задачей изобретения является повышение разрешающей способности системы и достоверности полученных результатов при высокой скорости сканирования и построения 3D изображения, повышение глубины зондирования, высокой помехоустойчивости.

Технический результат достигается за счет применения новых технических решений, а именно:

- непользование сверхширокополосных сигналов (СШП), распространяющихся в средах с ярко выраженным затуханием и дисперсией;

- электрическая развязка приемного и передающего модулей, выбор поляризационного базиса и алгоритма сканирования исследуемой области;

- малой выходной мощности;

- цифровая обработка принятых сигналов с высокой степенью внутренней когерентностью.

Для решения поставленной задачи предлагается: трехмерная система голографического радиовидения для досмотра, основанная на применении радиолокации малой дальности, отличающаяся тем, что содержит ПК, многофункциональный цифровой приемник на основе МК, усилитель модулирующего напряжения, ГУН, СВЧ-блок, досмотровую рамку с приемопередающими антеннами и блоком коммутации, блок усилителей и фильтр сигнала биений со следующими соединениями: многофункциональный цифровой приемник первым выходом через усилитель модулирующего напряжения и генератор, управляемый напряжением – ГУН, и через СВЧ-блок связан с блоком передающих антенн, а вторым своим выходом связан с управляющим входом СВЧ-коммутатора, выходы которого связаны с управляющими входами блоков приемных антенн и блоком передающих антенн, а выход блока приемных антенн через СВЧ-блок связан с блоком смесителя, усилителя и фильтра сигнала биений, а контроллер многофункционального приемника двунаправленной шиной связи через канал связи соединен с ПК, выход которого соединен с монитором ПК; антенная часть системы представляет собой квадратную рамку плоской конструкции, каждая сторона ее - линейка из 20 антенных ячеек по горизонтали - передающие, по вертикали – приемные, или наоборот, а в качестве каждого элемента в антенных ячейках используется спиральная антенна, выполненная на печатном проводнике, разброс положения элементов - антенных ячеек в линейках - лежит в пределах длины волны пополам.

На фиг. 1 показана структурная электрическая схема системы, на которой изображено:

1 - досмотровая рамка с передающими и приемными антенными решетками и блоком коммутации

2 - персональный компьютер (ПК)

3 - многофункциональный цифровой приемник (МК, смеситель, усилитель, ЦАП, АЦП)

4 - генератор, управляемый напряжением (ГУН)

5 - СВЧ - блок

6 - усилитель, фильтр сигнала биений

7 - блок приемных антенн

8 - блок передающих антенн

9 - блок питания (БП), цепи питания условно не показаны

10 - усилитель модулирующего напряжения.

На фиг. 2 показана эффективная апертура досмотровой MIMO-рамки, на которой показано:

а - линейки передающих антенн

б - линейки приемных антенн

в - эффективная апертура.

Схема на фиг. 1 имеет следующие соединения. ПК 2 шиной связи соединен с входом/выходом многофункционального цифрового приемника 3, который первым управляющим выходом через усилитель модулирующего напряжения 10 и затем через ГУН 4 соединен с СВЧ-блоком 5. Этот блок одним выходом соединен с блоком передающих антенн 8, а другим выходом через усилитель и фильтр сигнала биений 6 - с сигнальным входом многофункционального цифрового приемника 3, который через второй управляющий выход соединен с входами коммутации блоков приемных антенн 7 и передающих антенн 8, выход блока приемных антенн соединен с сигнальным входом СВЧ-блока 5.

На фиг. 2 показана общая структурная схема антенной решетки рамки, состоящая из четырех антенных групп, две группы - это две передающих линейки, и еще две группы - это приемные линейки. В каждой линейке находится четыре антенных групп по пять антенн в каждом.

На фиг. 3 показана функция неопределенности сигнала с несимметричной линейно-частотной модуляции.

Система работает следующим образом. В основу положен принцип широкополосного радиолокатора с синтезированной апертурой; зондирующий сигнал с линейной частотой модуляцией; корреляционно-фильтровая обработка отраженного сигнала. Внутренняя когерентность системы: равно-голографический синтез 3D изображений. Это позволяет получить высокую разрешающую способность, высокое угловое разрешение за счет синтеза апертуры при использовании малогабаритных антенн в составе MIMO-линеек или матриц (MIMO - это Multiple Input - Multiple Output, множественный вход - множественный выход).

Роль модулятора 10 выполняют ЦАП цифрового приемника 3 и усилитель модулирующего колебания. ЦАП генерирует модулирующее колебание скорректированной пилообразной формы, а усилитель модулирующего колебания усиливает этот сигнал до необходимости для ГУН 4 амплитуд, который формирует зондирующий ЛЧМ-сигнал в диапазоне частот от 2 ГГц. ГУН 4 реализован в виде отдельного блока с диапазоном частот от 1,9 ГГц до 4,1 ГГц, с управляющим напряжением от +0,5 до +15 В и напряжением питания +5 В.

Полосовой фильтр-усилитель 6 отфильтровывает полезные спектральные составляющие сигнала биений, соответствующие рабочим дальностям от 0,5 м до 3 м, а также предотвращает наложение спектров при последующем аналого-цифровом преобразовании.

Антенная система.

Коммутируемая антенная система 1 представляет собой квадратную рамку размером 1600×1600 мм. Каждая сторона рамы - линейка из 20 антенн. По горизонтали - передающие, по вертикали - приемные антенны (или наоборот). Коммутация осуществляется под управлением контроллера цифрового многофункционального приемника 3 с использованием СВЧ-коммутаторов внутри блоков передающих и приемных антенн 8 и 7 на 2, 4 и 5 выходов последовательно.

В качестве элемента антенной системы используется спиральная антенна. Эта антенна является широкополосной, имеет независимый от частоты фазовый центр, обладает небольшими габаритами, максимальной развязкой между передающей и приемной антеннами, наименьший глубиной и наименьшей чувствительностью параметров к расстоянию между плоскостью антенны и экраном.

Многофункциональный цифровой приемник 3 предназначен для оцифровки сигнала биений, поступающего с выхода аналогового фильтра-усилителя сигналов биений 6, формирования пакетов данных и передачу их в блок обработки. Кроме того, цифровой приемник формирует модулирующее напряжение для ГУНа синхронно с работой АЦП.

По команде процессора ПК 2 начать преобразование на каждый отчет модулирующего напряжения на выходе ЦАП формируется отчет. АЦП имеет 18 разрядов и производительность до 1 Мегавыборки в секунду. Работой ЦАП и АЦП управляет микроконтроллер МК, который осуществляет синхронизацию работы АЦП и ЦАП, считывает оцифрованные данные с выхода АЦП и передает их по стандартному интерфейсу RS232 (USB) в блок обработки. Схема имеет два независимых канала АЦП, благодаря чему возможна квадратурная обработка сигнала. ЦАП служит для формирования скорректированного пилообразного напряжения для ГУН передатчика. Память необходима для хранения отсчетов сигнала во время зондирования.

Устройство многофункционально. Оно может работать как в высокочастотном варианте локатора, формируя модулирующие напряжение посредством ЦАП для ГУН, так и в низкочастотном до 400 МГц благодаря наличию DDS (прямого цифрового синтеза).

Микроконтроллер имеет два порта дискретного ввода-вывода. Они использованы для управления коммутацией антенн (высокочастотный вариант) или для управления согласованием антенны в процессе изменения частоты сигнала (низкочастотный вариант).

Цель их применения состоит в достижении:

- высокой разрешающей способности по дальности за счет применения сверхширокополосного зондирующего сигнала;

- высокого углового разрешения за счет синтеза апертуры при использовании малогабаритных антенн;

- быстрого процесса сканирования;

- программной дифференциации состава обнаружения неоднородности (жидкость, твердое вещество, органическое или неорганическое происхождения и т.д.) на основе пространственно-частотных характеристик рассеянных сигналов.

Ориентировочные характеристики радиоголографической системы:

- Метод сканирования - радиоголографическая система со сложным сигналом. Время сканирования - 0.1 с.

- Вид исполнения - плоская конструкция размером 1,5×1,5×0,1 м, разрешаемая на стене, полу, в строительных конструкциях и т.д.

- Безопасность - полное отсутствие радиоактивного, рентгеновского и прочего жесткого излучения. Отсутствие движущихся частей. Мощность радиоизлучения не превышает мощности сотового телефона.

- Диапазон рабочих частот - 2÷4 ГГц, возможно до 10 ГГц, в любом «удобном» диапазоне.

- Рабочая станция - компьютер с монитором и принтером.

- Питание радиолокационной части системы досмотра - не более 5 Вт.

- Масса радиолокационной части - не более 20 кг.

- Применение сложных зондирующих сигналов.

Сигнал с ЛЧМ относится к классу «сложных» сигналов, для которых база сигнала В=Δƒ×T >> 1, где Δf - ширина спектра, Т - длительность.

Такие сигналы характеризуются возможностью сжатия во времени (по дальности) при приеме в базу. Например, сигнал ЛЧМ с девиацией Δƒ=1 ГГц и Т=10 мс эквивалентен по разрешению простому радиоимпульсу длительностью Т=1 нс. Такие сигналы характеризуются также распределением энергии сигнала в широкой полосе Δƒ и связанной с этим хорошей электромагнитной совместимостью и помехоустойчивостью.

Точностные характеристики, характеристики обнаружения, дальность действия мощности передатчика может быть на несколько порядков ниже, чем у простых импульсных систем. Например, ЛЧМ-локатор с длительностью сигнала Т=10 мс и мощностью передатчика Р=100 мВт по энергетике эквивалентен импульсному локатору с Т=1 нс, период Тm=10 мс и пиковой мощностью Р=106 Вт.

Важной характеристикой радиолокационного сигнала является его функция неопределенности X (τ, Ω).

Эта функция определяет разрешающую способность системы по дальности (задержке τ) и скорости (доплеровской частоте Ω), а также возможность обнаружения слабо отражающихся объектов на фоне сильных. На фиг. 3 показан вид этой функции для сигнала с несимметричной ЛЧМ.

Оптимальная обработка сигнала - это комбинированная, корреляционно-фильтровая.

Сечение функции неопределенности плоскостью Ω=0, показано на фиг. 3, является огибающей отклика согласованного с ЛЧМ-сигналом фильтра при отсутствии шума.

Ширина главного лепестка отклика по уровню 0,5 равна 1/Δƒ и является мерой разрешающей способности системы по задержке (дальности). Уровень боковых лепестков характеризует возможность обнаружения слабо отражающих объектов на фоне сильных.

Радиографическая предложенная система досмотра граждан на проходе предназначена для обнаружения предметов на всем теле человека. В системе применяются технология радиолокационного сканирования непрерывным широкополосным зондирующим сигналом, технология многоканальной голографической обработки сигналов обратного рассеяния и технология построения трехмерных изображений объектов в реальном времени.

Предложенные (разработанные) технологии позволяют создать принципиально новые пропускные пункты, в которых эта технология может быть встроена в предметы интерьера помещений, интегрирована в строительные конструкции. Проходящие люди даже не будут знать о том, что они проходят досмотр. В пропускной пункт можно превратить, например, входы в метро, на стадион, вокзал, торговый центр и т.д.

Отличительной особенностью предлагаемых решений является использование более низких зондирующих частот при сохранении требуемого разрешения. Это обеспечивает:

• Исключение влияния одежды и других маскирующих предметов (портфель, прижатие руки) на результат досмотр. Поэтому не предъявляются требования к позе досматриваемого. Возможен досмотр в открытом пространстве при дожде.

• Возможность досмотра нескольких человек одновременно, что резко повышает производительность проведения досмотра: на порядки по сравнению с известными радиолокационными системами - до нескольких человек в секунду.

• Программную дифференциацию состава обнаруживаемой неоднородности (жидкость, твердое вещество, органического и неорганического происхождения и т.д.) на основе пространственно-частотных характеристик рассеянных сигналов.

• Обнаружение сотового телефона и других электронных средств.

Ориентировочные характеристики радиоголографического сканера:

• Метод сканирования - радиоголографическая система со сложным сигналом. Время сканирования - 0.1 с.

• Вид исполнения - плоская конструкция размером 1,5×1,5×0,1 м, размещаемая на стене, полу, в строительных конструкциях и т.д.

• Безопасность - полное отсутствие радиоактивного, рентгеновского и прочего жесткого излучения. Отсутствие движущихся частей. Мощность радиоизлучения не превышает мощности сотового телефона.

• Диапазон рабочих частот - 2÷4 ГГц, возможно до 1 ГГц, в любом «удобном» диапазоне.

• Рабочая станция - компьютер с монитором и принтером.

• Питание радиолокационной части системы досмотра - не более 5 Вт.

• Масса радиолокационной части - не более 20 кг.

Список литературы.

1. В.А. Добряк, Ал.А. Калмыков, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко «Георадар с синтезом трехмерных изображений» // Физика и технические приложения волновых процессов: труды XI Международной научно-технической конф. / под общ. ред. Ю.Е. Мительмана. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. - С. 160-162.

2. В.А. Добряк, Ал.А. Калмыков, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко «Теория и практика трехмерной радиочастотной визуализации объектов» // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 23-й Международной Крымской конф. (КрыМиКо'2013). - Севастополь: Вебер, 2013. - С. 1169-1170.

3. В.А. Добряк, Ал.А. Калмыков, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко «Дополнительная фокусировка в задаче трехмерной радиочастотной визуализации объектов» // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 24-й Международной Крымской конф. (КрыМиКо'2014). - Севастополь: Вебер, 2014. - С. 1185-1186.

4. В.А. Добряк, Ал.А. Калмыков, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко «Применение MIMO-линеек в задаче трехмерной радиочастотной визуализации объектов» // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 24-й Международной Крымской конф. (КрыМиКо'2014). - Севастополь: Вебер, 2014. - С. 1195-1196.

5. В.А. Добряк, Ал.А. Калмыков, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко «Фильтрация изображений в задаче трехмерной радиочастотной визуализации объектов» // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 25-й Международной Крымской конф. (КрыМиКо'2015). - Севастополь: Вебер, 2015. - С. 1182-1183.

6. В.А. Добряк, Ал.А. Калмыков, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко «Повышение производительности синтеза радиоголографических изображений» // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 25-й Международной Крымской конф. (КрыМиКо'2015). - Севастополь: Вебер, 2015. - С. 1206-1207.

7. Ан.А. Калмыков, К.Д. Шайдуров «Оценка возможности построения подповерхностного радиолокатора ОВЧ-диапазона на основе синтезированной MIMO-апертуры» // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 25-й Международной Крымской конф. (КрыМиКо'2015). - Севастополь: Вебер, 2015. - С. 1124-1125.

8. Ал.А. Калмыков, В.А. Добряк, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко, Е.Н. Акимова, А.Ф. Скурыдина, В.Е. Мисилов «Параллельные алгоритмы построения и обработки трехмерных радиоголографических изображений» // Сборник трудов конференции ПАВТ 2016, Архангельск: CEUR, РСТ-2016. - с. 521-529.

9. В.А. Добряк, Ал.А. Калмыков, Ан.А. Калмыков, А.С. Куриленко «К построению динамических систем трехмерного радиовидения» // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 26-й Международной Крымской конф. (КрыМиКо'2016). - Севастополь: Вебер, 2016. - С. 2111-2117.

Использование: для обнаружения оружия и взрывчатых веществ. Сущность изобретения заключается в том, что трехмерная система голографического радиовидения для досмотра, основанная на применении радиолокации малой дальности, содержит ПК, многофункциональный цифровой приемник на основе МК, усилитель модулирующего напряжения, ГУН, СВЧ-блок, досмотровую рамку с приемопередающими антеннами и блоком коммутации, блок усилителей и фильтр сигнала биений со следующими соединениями: многофункциональный цифровой приемник первым выходом через усилитель модулирующего напряжения и генератор, управляемый напряжением – ГУН, и через СВЧ-блок связан с блоком передающих антенн, а вторым своим выходом связан с управляющим входом СВЧ-коммутатора, выходы которого связаны с управляющими входами блоков приемных антенн и блоком передающих антенн, а выход блока приемных антенн через СВЧ-блок связан с блоком смесителя, усилителя и фильтра сигнала биений, а контроллер многофункционального приемника двунаправленной шиной связи через канал связи соединен с ПК, выход которого соединен с монитором ПК; антенная часть системы представляет собой квадратную рамку плоской конструкции, каждая сторона ее - линейка из 20 антенных ячеек по горизонтали - передающие, по вертикали – приемные, или наоборот, а в качестве каждого элемента в антенных ячейках используется спиральная антенна, выполненная на печатном проводнике, разброс положения элементов - антенных ячеек в линейках - лежит в пределах длины волны пополам. Технический результат: повышение разрешающей способности системы и достоверности полученных результатов при высокой скорости сканирования и построения 3D изображения, а также повышение глубины зондирования и обеспечение высокой помехоустойчивости. 3 ил.

Трехмерная система голографического радиовидения для досмотра, основанная на применении радиолокации малой дальности, отличающаяся тем, что содержит ПК, многофункциональный цифровой приемник на основе МК, усилитель модулирующего напряжения, ГУН, СВЧ-блок, досмотровую рамку с приемопередающими антеннами и блоком коммутации, блок усилителей и фильтр сигнала биений со следующими соединениями: многофункциональный цифровой приемник первым выходом через усилитель модулирующего напряжения и генератор, управляемый напряжением – ГУН, и через СВЧ-блок связан с блоком передающих антенн, а вторым своим выходом связан с управляющим входом СВЧ-коммутатора, выходы которого связаны с управляющими входами блоков приемных антенн и блоком передающих антенн, а выход блока приемных антенн через СВЧ-блок связан с блоком смесителя, усилителя и фильтра сигнала биений, а контроллер многофункционального приемника двунаправленной шиной связи через канал связи соединен с ПК, выход которого соединен с монитором ПК; антенная часть системы представляет собой квадратную рамку плоской конструкции, каждая сторона ее - линейка из 20 антенных ячеек по горизонтали - передающие, по вертикали – приемные, или наоборот, а в качестве каждого элемента в антенных ячейках используется спиральная антенна, выполненная на печатном проводнике, разброс положения элементов - антенных ячеек в линейках - лежит в пределах длины волны пополам.