РАСШИРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА РАДАРА СО СТУПЕНЧАТОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

February 25, 2013 by admin Комментировать »

Михнев В. А., Палто А. А. Институт прикладной физики НАН Беларуси Ул. Академическая, 16, Минск, 220072, Беларусь тел.: +375(17) 2842433, http://iaph.bas-net.by/~lab4/, e-mail: mikhnev@iaph.bas-netby

Рис.1 Выходной сигнал баласного смесителя, и«Ц Fig.1 IVIixer output signal, и«Ц

Аннотация – Предложена методика увеличения динамического диапазона радаров со ступенчатой перестройкой частоты. Проведенные экспериментальные исследования показали возможность увеличения динамического диапазона входных цепей радара более чем на 10 дБ.

I.                                       Введение

Рис.2 Выходной сигнал балансного смесителя, LosU Fig.2 Mixer output signal, LosLc

Развитие радаров со ступенчатой перестройкой частоты (РСПЧ) было сильно затруднено большей сложностью их конструкции по сравнению с импульсным аналогом и, соответственно, высокой ценой. Однако в последние годы бурный прогресс в технике мобильной и беспроводной связи привел к разработке новых технологий и снижению цены широкополосных СВЧ компонентов на порядок и более. С появлением дешёвых интегральных СВЧ устройств, стало возможным создание портативных радаров со ступенчатой перестройкой частоты на основе гомодинной или гетеродинной схемы [1,2]. Появилось множество вариантов РСПЧ, различающихся как в части технической реализации, так и практической реализации – от миноискателей и диагностики строительных конструкций до археологии и поиска полезных ископаемых [3,4,5].

Основной недостаток РСПЧ в сравнении с импульсным радаром – маскировка слабого сигнала от удаленного объекта в среде сильной связью между антеннами и отражением от поверхности исследуемой среды. Одним из способов борьбы с этим недостатком является расширение динамического диапазона приемного тракта.

II.                               Основная часть

Основными элементами РСПЧ являются синтезатор частоты, генерирующий сигнал со ступенчатой зависимостью частоты от времени, делитель мощности и балансный смеситель. Часть излучаемого сигнала подается на гетеродинный вход смесителя непосредственно с делителя мощности (опорный канал), другая часть излучается в среду и через приемную антенну поступает на сигнальный вход смесителя (измерительный канал). Выходной сигнал балансного смесителя имеет вид (рис.1) [6]:

где fi – частота сигнала; Uo – величина сигнала в опорном канале длины Lo] Uc v\ U – то же для измерительного канала; с – скорость света; Λφ – собственная разность фаз, вносимая элементами радара (делителем и смесителем).

При большой разнице длин измерительного U и опорного каналов Lo выходной сигнал смесителя представляет собой быстро осциллирующую функцию (рис.1), что не позволяет использовать большой динамический диапазон возле пиков. Если же длины каналов равны, то выходной сигнал является гладкой функцией:

Скомпенсировав постоянную составляющую и усилив сигнал, мы можем эффективнее использовать имеющийся динамический диапазон измерительного устройства.

В реальных системах длина измерительного канала зависит в основном от расстояния между апертурой антенн и объектом с наибольшей отражающей способностью. Это расстояние, как правило, не известно, поэтому выполнить условие строгого равенства Ьо = и не возможно. Однако, когда разность длин каналов мала (т. е. Lo = U), частотная характеристика будет гладкой функцией по крайне мере на нескольких частотных участках. Поэтому весь сканируемый частотный диапазон можно разбить на участки. Внесением изменения в собственную разность фаз Λφ можно минимизировать размах сигнала на каждом из них. Количество и длина отрезков разбиения зависит от неравномерности частотной характеристики сигнала.

Были проведены экспериментальные исследования на строительных конструкциях в частотном диапазоне 1-2.5 ГГц. В качестве РСПЧ для проведения исследований использовался векторный анализатор цепей Е5071В с возможностью изменения временной задержки между опорным и измерительными каналами. Для излучения и приема использовались антенны П6-23А. Исследуемая полоса частот была разбита на 11 отрезков. Полученная кусочнонепрерывная характеристика сигнала на выходе смесителя показана на рис.2. Из рисунка видно, что размах сигнала в 10 раз меньше по сравнению с первоначальным сигналом (рис.1). В дальнейшем указанный сигнал можно усилить и соответственно увеличить динамический диапазон системы.

III.                                   Заключение

в статье предложен один из способов увеличения динамического диапазона радаров со ступенчатой перестройкой частоты. Он основан на разбиении частотного диапазона сканирования на участки с последующей регулировкой длины опорного канала путем изменения времени задержки. Способ позволяет расширить динамический диапазон радара на 10- 20 дБ за счет увеличения времени сканирования.

IV.                             Список литературы

[1 ] S. Koppenjan and М. Bashforth, «The Department of Energy’s Ground Penetrating Radar (GPR), an FIVI-CW system,» SPIE, vol. 1942, pp. 44-55, 1993.

[2]  Alan Langman, Simon DImalo, Brian Bums, and M. R. Inggs, «Development of a Low Cost SFCW Ground Penetrating Radar,» in Proceedings ofthe IEEE 1996 Geo-science and Remote Sensing Symposium, 5 1996, vol. IV, pp. 2020-2022.

[3]  G. Farquharson, A. Langman and M. R. Inggs. A 50- 800MHZ Stepped Frequency Continuous Wave Ground Penetrating Radar, if Proceeding ofthe 1998 South African Symposium on Communication and Signal Processing, 1998(COMSIG’98). – 1998. – p 455-460.

[4]  Goodman N., Leuschen C., Plumb R. And Allen C. «Subsurface imaging using ground-penetrating radar measurement» if Proceeding ofthe Geosciences and Remote Sensing Symposium.- 1996. Vol.4 – p 2036-2037

[5]  MillotP., Bureau J. C., Borderies P. Et. Al «Experimental study of near surface radar imaging of buried objects using ultra- wide band antennas.// Proceedings ofthe European Microwave Conference. – Workshop on Microwave Imaging Methods and Techniques EuMW2000, Paris, 2-6 October 2000

[6]  БудурисЖ., Шенееье П. «Цепи сверхвысоких частот» Перевод с франц./ Под. ред. А. Л. Зиновьева. – М.,: Сов. Радио, 1979.-288 с/

DYNAMIC RANGE EXTENSION OF THE STEPPED-FREQUENCY RADAR

Mikhnev V. A., Palto A. A.

Institute of Applied Physics of NAS of Belarus 16, Akademicheskaya str, Minsk, 220072, Belarus Ph.: +375(17) 2842433, http://iaph.bas-net.by/4ab4/

Abstract – The new method ofthe dynamic range extension for stepped-frequency radar has been proposed. Experimental researches demonstrate the possibility of increasing the dynamic range ofthe radar by more than 10 dB.

I.                                         Introduction

During the last years, the tempestuous technology progress in mobile and wireless communication has led to decrease of the cost of wideband radio frequency (RF) components by ten times or more. This made possible the development ofthe portable stepped frequency radar (SFR) employing the homodyne or the heterodyne schemes [1,2]. There are many different versions of SFR depending on practical applications [3-5].

The main drawback of SFR in comparison to the pulsed radar is masking of the weak signal from the buried target in the medium by strong coupling between the transmitting and receiving antennas and the reflection from the surface. One ofthe ways to overcome this problem is to extend the dynamic range ofthe receiver.

II.                                        Main Part

The simplified SFR consists of the following basic elements: the frequency synthesiser, the power divider and the balanced mixer. A part ofthe radiated signal drives the heterodyne input of the mixer directly from the power divider, and another part is radiated by the transmitting antenna. The signal from the receiving antenna enters the signal input ofthe mixer (the measuring channel). The typical output signal of the balanced mixer shown in Fig.1, can be represented by (1), where f, is the signal frequency; Uoand Loare the signal value in the reference channel and its length, respectively; similar values of Uoand Lc correspond to the measuring channel; с is the light velocity; Δφ is the phase difference of the lumped RF components (coupler and mixer). If the difference ofthe lengths is high (Fig. 1), the output signal ofthe mixer is rapidly oscillating preventing one from achieving the large dynamic range in the vicinity of peaks. If the lengths of the reference and measuring channels are nearly equal, the output signal of the mixer versus frequency is rather smooth, at least in several parts ofthe frequency band. Then, it can be shifted close to 0 by a reference voltage that allows increasing the dynamic range by using additional amplifiers.

The effective length of the measuring channel depends mainly on the distance between the antennas and the target with the highest reflectivity, e. g. ground surface. This distance is not known exactly, so attaining the equality Lo = Lo is generally not possible. However, one can adjust the difference between the channel lengths by an electronic delay line installed in the reference channel so that in some frequency ranges the condition above. By tuning the delay, one can collect signals over all the frequencies in the range of operation at high output. Different pieces of the collected frequency response can be subsequently united using mathematical code.

The network analyzer E5071B with the possibility of tuning time delay in the reference channel was used as the SFR. The antennas P6-23A in frequency band 1 – 2.5 GHz were used. The frequency band had been divided into 11 parts with the time delay being separately adjusted in each of them. The entire measured signal is shown on Fig. 2. One can see that the signal amplitude is about 10 times smaller than in the initial signal (Fig. 1). Obviously, additional amplifier can be included in the receiving channel ofthe radar enhancing the dynamic range and ability ofthe SFR to detect deeply buried targets.

III.                                       Conclusion

In this paper, one possible way to increase the dynamic range of the stepped-frequency radar has been proposed. The method is based on dividing the frequency band of operation in several sub-ranges and adjusting the length of the reference channel e. g. by electronically controlled delay line. This allows increasing the dynamic range ofthe radar system by 10-20 dB at the expense of additional time required for the data acquisition.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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