“ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ” N 8, 2013

оглавление

УДК 621.396.96, 537.226

АЛГОРИТМ АНАЛИЗА СПЕКТРА ЭХО-СИГНАЛОВ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО РАДАРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРЕГРАДЫ

 

А. П. Зуев1, В. А. Могилко1, С. С. Негодяев1,2, А. В. Царьков1

1ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт химии и механики»

2Московский физико-технический институт (государственный университет)

Получена 12 августа 2013 г.

 

Аннотация. Предложен алгоритм определения проницаемости слабо отражающей диэлектрической преграды для зондирующего излучения устройств сверхширокополосной (СШП) локации подвижных объектов. Признаком проницаемости преграды является наличие на входе приемника отраженных от объектов за преградой зондирующих импульсов. В основу алгоритма определения проницаемости преграды положен спектральный анализ эхо-сигналов СШП-радиолокатора. Установлено, что характеристикой проницаемости преграды является амплитуда высокочастотных составляющих спектра.

Ключевые слова: сверхширокополосный радар, проницаемость преграды, алгоритм анализа спектра, радиовидение сквозь стены, биорадиолокация.

Abstract: The algorithm of determining the penetrability of weakly reflecting dielectric barrier for UWB radiation of devices through the wall vision is proposed. The criterion of the penetrability of the barrier is the presence on receiver input reflected pulses from objects behind the barrier. The algorithm determining the penetrability barrier based on spectral analysis echo-signals of UWB radar. Found that the penetrability of the barrier characteristic is the amplitude of the high frequency spectral components.

Key words: ultra wide band radar, signal propagation, penetrability of barrier, spectrum analysis algorithm, through wall vision, bioradars.

 

1. Введение

Задача обнаружения людей за оптически-непрозрачными преградами имеет важное значение при проведении спасательных работ при стихийных и  техногенных катастрофах (см. обзоры [1, 2]). Основным физическим методом для обнаружения людей сквозь стены (through wall vision) является радиовидение.

Оптически непроницаемые преграды можно условно разделить на два типа:

·                        отражающие радиоволны (металлические);

·                        поглощающие радиоволны (диэлектрические).

Для металлических преград задача создания приемлемых по технико-экономическим характеристикам приборов дистанционного детектирования объектов за такими преградами  в настоящее время еще не решена.

Для диэлектрических преград на сегодняшний день уже существует класс компактных и маломощных сверхширокополосных (СШП) радиолокаторов. Разработаны эффективные алгоритмы интерпретации данных СШП-локации для обнаружения за преградами подвижных объектов [3 – 6]. Однако, при большом уровне поглощения радиоизлучения диэлектрической преградой движущиеся объекты также не могут быть обнаружены, поэтому задача оснащения СШП радиолокатора функцией определения проницаемости преграды, в дополнение к операции обнаружения, является актуальной. Кроме того, заметим, что классический способ определения проницаемости преград из типовых строительных материалов [7, 8] подразумевает размещение передатчика и приемника излучения по разные стороны преграды, что неприменимо в реальных спасательных операциях для СШП радаров, у которых передатчик и приемник, как правило, конструктивно объединены в одном устройстве, т.е. расположены по одну сторону преграды. Таким образом, для улучшения характеристик существующих поисковых технических средств СШП-локации необходима разработка алгоритма оперативного определения проницаемости преград без изменений в конструкции используемых приборов. Подходы к решению этой задачи описаны в ряде источников [9 – 11].

2. Влияние проницаемости преграды на спектральный состав эхо-сигналов

В настоящей работе экспериментально показана возможность определения степени проницаемости диэлектрических преград на основе анализа спектра отраженных от препятствий эхо-сигналов. В проведенных исследованиях использовался одномерный малогабаритный СШП-радиолокатор [12, 13].

Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

 

figure1_2.png

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1- передающая антенна, 2- приемная антенна,3 –блок синхронизации, обработки и съема информации СШП радиолокатора, 4 – отражающий объект, 5 – осциллограф Tektronix DPO 70804.

На передающую антенну 1 с блока синхронизации, обработки и съема информации 3 подавался короткий импульс длительностью ~ 1 нс. Приемная антенна 2 регистрировала как отраженные от препятствий сигналы, так и прямую наводку от передающей антенны, избавиться от которой на практике полностью невозможно. Приемная антенна могла подключаться либо к блоку 3, либо к осциллографу 5 (Tektronix DPO 70804) для спектрального анализа принимаемого сигнала.

Типичные осциллограммы возбуждающего импульса и эхо-сигнала регистрируемого  приемной антенной представлены на рис. 2 – 3.

 

Рис. 2. Осциллограмма сигнала, возбуждающего передающую антенну.

 

График.bmp

Рис. 3. Эхо-сигнал с приемной антенны.

 

Стробоскопический приемник блока обработки 3 (рис. 1) позволяет измерить (оцифровать) уровни сигнала с приемной антенны в соответствии с алгоритмом авторов настоящей работы, подробно описанным в [6]. Результатом измерения является оцифрованный сигнал с приемной антенны, представляющий собой зависимость амплитуды сигнала от времени (с шагом дискретности измерений в стробоскопическом режиме приема) – массив данных из 256 точек с интервалом 0,15 нс в диапазоне времени 256×0,15 нс = 38,4 нс. Заметим для использования в дальнейшем обсуждении, что этот сигнал, зарегистрированный блоком 3 СШП радара, аналогичен осциллограмме представленной на рис. 3.

Сигнал с антенны приемника является суперпозицией наведенного антенной передатчика сигнала и отраженных от объектов за преградой сигналов, которые гораздо слабее.

Если антенны приемника и передатчика радара располагают непосредственно на преграде (стенке, перекрытии и т.п.), то при физически непроницаемой преграде на антенну приемника попадают практически только прямые наводки от затухающих колебаний в антенне передатчика. Если преграда пропускает СШП излучение, то антенной регистрируются  еще и отраженные от препятствий за преградой зондирующие импульсы.

При этом спектральный состав отраженного сигнала и сигнала наводки отличаются. Спектральная плотность сигнала прямой наводки изменяется с течением времен