ПАССИВНАЯ МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

April 21, 2012 by admin Комментировать »

Горишняк В. П., Денисов А. Г., Кузьмин С. Е., Радзиховский В. Н., Шевчук Б. М. Гэсударственный научно-исследовательский центр «Айсберг» Киев – 03148, Украина Тел.: (044)4783145; e-mail: iceberg@ukrpack.net

Аннотация – Пассивная 32-канальная система формирования изображений, работаюшая в 8-мм диапазоне длин волн, разработана в ГНИЦ «Айсберг» в течение последних двух лет. Система содержит матрицу приемных датчиков, расположенных в фокальной плоскости квазиоптической антенны, сканирующий механизм и процессор на базе персонального компьютера. Система обеспечивает формирование изображения на экране монитора в течение 3 секунд. Пространственный угол обзора составляет 90 х 16 градусов.

I.  Введение

Способность миллиметровых волн проходить сквозь туман, облака, мелкий дождь, снег, дым и другие препятствия делает системы формирования изображений в миллиметровом диапазоне наиболее эффективным инструментом для решения широкого круга задач, которые не могут быть решены с помощью инфракрасных и оптических систем.

Основные усилия разработчиков направлены на улучшение качества изображений и формирование их в реальном масштабе времени. Время формирования изображения зависит от количества датчиков в составе матрицы и от скорости сканирования. Более высокая чувствительность датчиков позволяет повысить скорость сканирования при обеспечении адекватного времени интегрирования. Качество изображения ограничивается пространственным разрешением, которое обратно пропорционально диаметру квази-оптической антенны. Определенного улучшения качества можно достичь специальной цифровой обработкой полученного изображения.

Разработанная нами ранее 16-канальная система [1] была способна формировать изображение в течение 10 секунд. В данной работе представлена система, которая позволяет втрое быстрее получать изображение с более высоким качеством.

II.  Основная часть

Матрица приемных датчиков построена на базе радиометрических датчиков, которые представляют собой приемники прямого детектирования с мало- шумящими усилителями на входе. Датчики работают в частотном диапазоне 33…38 ГГц и имеют температурную чувствительность в компенсационном режиме не хуже 10 мК/Гц1/2. Малые размеры датчиков и вытянутая конфигурация обеспечивают эффективную компоновку их в составе матрицы. Матрица содержит 32 датчика, размещенных в виде двух вертикальных рядов по 16 датчиков в каждом (Рис.1). Ряды сдвинуты относительно друг друга таким образом, чтобы сформировать 32 приемных луча, которые при сканировании антенны в горизонтальном направлении прописывают 32 полосы. Конструкция матрицы удобна для интеграции в более сложные двухмерные матрицы.

Выходные сигналы с датчиков через многожильный кабель поступают на плату АЦП для оцифровки и последующей обработки.

Многолучевая квазиоптическая антенна состоит из главной антенны и облучателей, расположенных в фокальной плоскости главной антенны. В качестве главной антенны использовано прямофокусное параболическое зеркало диаметром 900 мм, что обеспечивает ширину лучей около 0,6 градуса по уровню

3  дБ. Фокусное расстояние антенны 990 мм.

В качестве облучателей использованы диэлектрические штыревые антенны, малые поперечные размеры которых позволяют компактно размещать их в фокальной плоскости. Каждый облучатель непосредственно состыкован со своим датчиком и направлен в центр главной антенны. Облучатели с главной антенной формируют 32 луча с расстоянием между соседними лучами 0,48 градуса. Полный угол обзора в вертикальной плоскости составляет 16 градусов.

Антенна с матрицей сканируется в горизонтальной плоскости на угол ± 60°. В конечных точках каждого скана осуществляется калибровка датчиков. Сканирующий механизм содержит оптический датчик угла, дающий информацию о положении антенны в любой момент времени. Считывание сигналов производится через каждые 0,17 градуса (1 пиксель) в полном угле обзора в горизонтальной плоскости, который составляет 90 градусов.

Изображение обозреваемой сцены формируется в течение каждого скана (3 секунды). В системе предусмотрен двухскановый режим, при котором перед обратным сканом все лучи смещаются в вертикальной плоскости на 0,24 градуса. В результате в течение двух сканов лучи прописывают 64 полосы, улучшая качество формируемого изображения.

Внешний вид системы показан на рис. 1.

Рис. 1. Система формирования изображений.

Fig. 1. System of images formation

Для обработки сигналов и формирования изображения на экране монитора был разработан про- граммно-аппаратный комплекс. Аппаратная часть включает IBM-совместимый компьютер с монитором и плату АЦП/ЦАП. Плата типа L780 содержит 32- канальный коммутатор с аналого-цифровым преобразователем для считывания и оцифровки сигналов от датчиков, цифро-аналоговый преобразователь,

через который компьютер управляет механизмом сканирования, два цифровых входа для передачи информации от датчика угла в компьютер о положении антенны.

Компьютер устанавливает рабочие режимы для механизма сканирования, осуществляет обработку принятых сигналов и формирует изображение на экране монитора. Программа определяет последовательность работы системы, обеспечивая быстрое и гибкое управление.

Компьютер с монитором располагаются отдельно от приемного узла системы на удобном расстоянии и связаны с ним специальным кабелем. Были проведены исследования системы в натурных условиях. На рис. 2 приведено изображение, полученное в миллиметровом диапазоне с помощью разработанной системы (а), и для сравнения показана фотография той же сцены (Ь).

Рис. 2. Изображение, полученное в миллиметровом диапазоне (а) и фотография той же сцены (Ь)

Fig. 2. Millimeter-waves image (a) and photo picture of the same scene (b)

III.  Заключение

Таким образом, 32-канальная пассивная система формирования изображений была разработана в частотном диапазоне 33…38 ГГц. Система содержит многолучевую сканирующую квазиоптическую антенну с матрицей малошумящих приемников прямого детектирования, а также програмно-аппаратный комплекс на базе IBM- компьютера. В течение 3 секунд система позволяет получать качественное изображение в пространственном угле обзора 90 х 16 градусов.

IV. Список литературы

[1]  V. N. Radzikhovsky, V. P. Gorishniak, S. Е. Kuzmin,

В. М. Shevchuk, «16-channels millimeter-waves radiometric imaging system», MSMW2001 Symposium Proceedings. Kharkov, Ukraine, June 4-9, pp. 466-468, 2001.

PASSIVE MULTICHANNEL MILLIMETER-WAVE IMAGING SYSTEM

Gorishniak V. P., Denisov A. G., Kuzmin S. E., Radzikhovsky V. N., Shevchuk В. M.

State Research Center “Iceberg”

2b, 50-years October, Kiev, 03148, Ukraine Tel.: +380(044)478-3145, Fax: +380(044)478-3145, E-mail: iceberg@ukrpack.net

Summary – Passive 32-channel imaging system operating in 8-mm wave band has been developed at SRC “Iceberg” during the last two years. The system consists of focal plane array connected with processor, quasi-optical antenna and scanning mechanism. The system provides 90 x 16 degrees field-of-view, and displays the acquired image during 3 seconds.

The focal plane array is formed on base of radiometric sensors [1], which are direct detection receivers with input low-noise amplifiers. The sensors operate in frequency band 33…38 GHz and have temperature sensitivity not worse than 10 mK/Hz1/2 in total power mode. Small sizes of the sensors and stretched configuration provide its efficient packing into array. The array contains 32 sensors located in a shape of two vertical rows.

A multibeam quasi-optical antenna consists of the main antenna and feeds located in a focal plane of the main antenna. The prime-focus-fed parabolic reflector is used as a main antenna. The reflector has diameter D = 900 mm providing the beam width near 0.6 degrees at 3 dB level. The dielectric rods antennas are used as feeds. This type of feed has smaller cross sizes compared with horn feeds that allow the sensors to be more compact in the array construction. Each feed is connected with its sensor and directed to the center of the main antenna. The reflector with feeds in focal plane forms 32 beams. The angle between adjacent beams in vertical plane is 0.48 degrees and total angle of view in vertical plane is 16 degrees.

The antenna with array is attached to the scanning mechanism, which provides the antenna scanning in horizontal plane by angle ± 60 degrees. At end-points of each scanning the sensors calibration is carried out. During the scanning each beam draws the horizontal strip, and thus all observed scene finds itself completely covered by beams. The scanning mechanism includes the optical sensor of the angle, which gives information about the antenna position in any time during system operation. The signals reading is carried out through each 0.17 degree (1 pixel) in full angle of view in horizontal plane equal to 90 degrees.

The external view of the imaging system is shown in Fig. 1.

In order to form an image on monitor screen the software- hardware complex has been developed. The hardware include IBM-compatible computer with monitor and ADC/DAC card (model L780, Russian fab.). Computer sets the operating modes for scanning mechanism, carries out processing of the received signals, and forms the image on a monitor. Software specifies the sequence of the system operation providing fast and flexible control by the imaging system.

The computer with a monitor is placed separately from scanning receiver unit at convenient distance and is connected to the unit by means of special cable. The investigations of the system in natural conditions were carried out. In Fig. 2(a) the image of SPE ‘Saturn” yard territory obtained with help of the developed system is shown. For comparison in Fig. 2(b) the photo of the same scene is shown. Sufficiently good quality of the image in 8 mm wave’s band is demonstrated.

The developed imaging system can be used to provide navigation on the ground or at the sea especially at short distances where surface radar clutter is high, for remote sensing in space and air investigations, for all-weather surveillance, for objects discovering, and many other commercial applications.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты