Экспериментальные исследования
УДК 621.3.095.4
Радиометрический метод обнаружения людей в зоне техногенных катастроф
В.Ф. Михайлов1, И.В. Брагин2
1 Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
2 Особое конструкторское бюро Национального исследовательского университета “Московский энергетический институт”
Radiometric detection of people in the area of man-made disasters
V.F.Mikhailov1, I.V.Bragin2
1 Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation
2 Special design office of the National researching university “Moscow power institute”
Аннотация. Статья посвящена вопросам оценки возможности применения радиометрического метода для обнаружения людей под завалами в зоне техногенных катастроф. Описывается принцип радиометрического обнаружения биологических объектов. Обосновывается тип применяемого радиометрического приемника и приводится его структурная схема. Описывается разработанная антенная система радиометра, дается её внешний вид и радиотехнические характеристики. Приводятся результаты экспериментальных исследований разработанного радиометра, доказывающие возможность применения радиометрического метода для обнаружения людей под завалами.
Abstract. The article deals with the possibility of using the radiometric method for detecting people under the rubble in the area of man-made disasters is evaluated. The principle of radiometric detection of biological objects is described. The type of the utilized radiometric receiver is grounded; its block diagram is given. The developed radiometer antenna system is described; its outward appearance and radio characteristics are presented. The results of experimental studies prove the possibility of using the radiometric method for detecting people under the rubble.
|
|
|
Ключевые слова: радиометрический метод, радиометр, антенная система, обнаружение людей, эксперимент
Keywords: radiometric detection, radiometer, antenna system, detection of people, experiment
Реферат
Статья посвящена вопросам оценки возможностей радиометрического метода для обнаружения людей под завалами на основании экспериментальных исследований разработанного радиометрического приемника.
В разделе 1 – “Введение”- рассматривается принцип радиометрического обнаружения биологических объектов, отмечается большой опыт авторов статьи в разработке радиометрической аппаратуры.
В разделе 2- “Радиометрический приемник”- Обосновывается выбор рабочей частоты для разрабатываемого радиометрического приемника, обосновывается и описывается структурная схема радиометра, показывается принцип работы радиометра модуляционного типа.
В разделе 3- “Антенная система радиометра”- обосновывается вариант антенной системы в виде антенной решетки, приводится внешний вид антенной системы из которого очевидна конструкция этой системы, рассматриваются диаграмма направленности антенной системы и выражение антенной температуры.
|
|
|
В разделе 4- “Экспериментальные исследования”- приводятся результаты экспериментальных исследований при использовании радиометра для поиска людей под завалами, отмечается факт обнаружения людей за кирпичной стеной толщиной 250 мм и подчеркивается необходимость проведения дальнейших исследований для неоднородных многослойных преград.
Summary
The article deals with the assessment of the options for the radiometric detection of people under the rubble; it is based on experimental studies of the designed radiometric receiver.
In Section 1 - "Introduction" - deals with the principle of radiometric detection of biological objects; significant authors’ experience in the development of radiometric equipment is emphasized.
In section 2 - "Radiation receiver"- choice of operating frequency for the developed radiometric receiver is justified; block diagram of the radiometer is given and grounded; the operation of the modulation radiometer is described.
In section 3 - "The antenna system of the radiometer"- the use of antenna array is justified; the outward appearance of the antenna system is presented; the appearance makes obvious the design of the system; antenna pattern and antenna noise temperature are given.
In section 4 - "Experimental studies”- the results of experimental studies of the using of the radiometer people detection under the rubble are given; it is noteworthy that people were detected behind the 250mm brick wall; the need for further research for heterogeneous multilayer rubbles is stressed.
Введение
Сотрудники кафедры “Медицинской радиоэлектроники” совместно со специалистами ФГУП ОКБ МЭИ длительное время занимались разработкой и созданием радиометрической аппаратуры космического базирования для дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы[1-4]. Полученные знания и опыт были использованы для создания радиотехнических устройств, обеспечивающих обнаружение людей в зоне техногенных катастроф под завалами различного вида. Принцип пассивного радиометрического обнаружения биологических объектов основан на наличии контраста радиояркостных (шумовых) температур между обнаруживаемым объектом и фоном, на котором он наблюдается. Для реализации этого принципа необходимо измерять собственное шумовое излучение исследуемого объекта. С этой целью используется радиометрический приемник (радиометр).
|
|
|
Радиометрический приемник
Известно достаточно много вариантов схемных построений радиометров [1]. Для решения нашей задачи целесообразно использовать модуляционный радиометр Дике. Такой тип радиометра обладает достаточно высокой чувствительностью, независимостью чувствительности от флюктуации коэффициента передачи радиометра и возможностью приема сигнала при сканировании антенны. Следует отметить, что анализ изображений биологических объектов возможен и в оптическом диапазоне [5](нс)[*].
|
|
|
Выбор частотного диапазона определяется возможностью прохождения радиоволн с минимальными потерями через завалы, скрывающие людей. С этой точки зрения наилучшим является дециметровый диапазон длин волн. Для построения аппаратуры предпочтительнее использовать готовые узлы приемных устройств в частотном диапазоне 2,45 – 4,2ГГц.
Для рассматриваемой аппаратуры выбрана частота 3,7ГГц.
Используется радиометр, в котором синхронное детектирование и основное интегрирование осуществляются после преобразования сигнала в цифровую форму, что значительно снижает влияние фазовых ошибок и повышает точность обработки.
Схема такого модуляционного радиометрического приемника с цифровой обработкой сигнала (рисунок1) состоит из входного коммутатора, согласованной нагрузки (СН), СВЧ супергетеродинного приемника с квадратичным детектором на выходе, предварительного фильтра, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и процессора. Описываемый радиометр включает в себя также модулятор и вентиль, исключающий отражение от модулятора, просачивающийся на вход приемника сигнал гетеродина.
Данная схема позволяет произвести оптимальный прием шумового сигнала, при котором синхронное детектирование и интегрирование осуществляется процессором, в котором производится предварительная обработка аномальных отсчетов и вычисление среднего значения прироста шумовой мощности относительно шумовой мощности согласованной нагрузки.
Рис. 1. Структурная схема радиометра
На вход СВЧ приемника попеременно подключаются выход антенны с антенной температурой ТА и согласованная нагрузка коммутатора с шумовой температурой Т0. На выходе радиометра будет сигнал, графически представленный на рисунке 2 и представляющий собой напряжение в виде меандра с частотой модуляции входных коммутаторов от уровня U1=KусТСН, соответствующего моментам подключения входа СВЧ приемника к согласованной нагрузке, до уровня U2=KусТА, соответствующего моментам подключения входа СВЧ приемника к антенне. Здесь Kус –коэффициент усиления радиометра.
Разница между уровнями двух сигналов равна 
.
Отсюда может быть определена шумовая температура антенны 
. Значение этой температуры и несет в себе информацию о наличии или отсутствии искомых людей под завалами.
Рис. 2. Сигнал на выходе радиометра
Антенная система радиометра
Одним из важнейших узлов радиометрического комплекса, определяющим его технические возможности, является антенная система. Для решения рассматриваемой задачи оптимальным является варианта с использованием антенной решетки.
Примененная антенная решетка представляет собой два вертикальных ряда полосковых излучателей, расположенных на расстоянии, равном длине волны по вертикали и четырем длинам волн по горизонтали.
Антенная температура на выходе антенны (ТА) будет определяться выражением
,
где Ти – шумовая температура исследуемого объекта, S и – площадь объекта, S W - площадь фокального пятна антенны, h ср – коэффициент передачи среды, находящейся между антенной и исследуемым объектом, Тф – шумовая температура фона, b - коэффициент рассеяния антенны, h А – КПД антенны.
Внешний вид единичного полоскового излучателя представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Единичный полосковый излучатель
На рисунке 4 представлена рассчитанная диаграмма направленности единичного полоскового излучателя.
 |
Рис. 4. Диаграмма направленности
На рисунке 5 показан внешний вид антенны радиометра (антенной решетки), состоящей из набора единичных полосковых излучателей.
Рис. 5. Внешний вид антенны радиометра
Экспериментальные исследования
Алгоритмы обработки принимаемой информации, калибровка и настройка отдельных узлов радиометра и всего комплекса в целом, методика испытаний и результаты испытаний отдельных узлов, методика работы с прибором не приводятся, т.к. эти сведения выходят за рамки представленной статьи. Отметим лишь, что результаты испытаний в целом показали, что обеспечивается возможность обнаружения человека за преградой, затухание электромагнитных волн в которой достигает 21 дБ, что соответствует толщине кирпичной стенки 250 мм при расстоянии от объекта излучения до 12 м. Испытания также показали, что представляется возможным повысить контраст между наблюдаемой радиояркостной температурой человека за преградой и радиояркостной температурой фона в 4 раза, используя активный режим исследования (подсветку шумовым сигналом).
Следует отметить, что реальные преграды в зоне техногенных катастроф представляют собой многослойные конструкции, в которых отдельные слой кирпичной кладки, бетона, дерева и т.д. разделены воздушными промежутками. Для таких реальных конструкций преград и необходимы дальнейшие экспериментальные исследования.
Таким образом, полученные результаты показывают перспективность радиометрического метода для обнаружения людей за визуально непроницаемыми преградами.
Литература
1. Михайлов В.Ф., Брагин И.В., Брагин С.И. Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы. Спутниковая радиометрия. СПб.: ГУАП.1998.164 с.
2. Михайлов В.Ф., Брагин И.В., Брагин С.И. Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы. Техническая реализация. СПб.: ГУАП.2001.240 с.
3. Михайлов В.Ф., Брагин И.В., Брагин С.И. Спутниковая аппаратура дистанционного зондирования Земли: Вузовская книга.2008. 340 с.
4. В.Ф.Михайлов, К.А.Победоносцев, И.В.Брагин. Прогнозирование эксплуатационных характеристик антенн с теплозащитой. СПб.: 1994.300 с.
5. Гуревич Б.С. Многоспектральная обработка изображений биологических объектов с помощью акустооптических устройств// Настоящий сборник.
Краткие сведения об авторах
Михайлов Виктор Федорович д-р. техн. наук, профессор, kvz_41@aanet.ru, 197110, Санкт-Петербург, Чкаловский пр., д. 16, кв. 82. 8(812) 4947024, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67, 8(911)9668188
Брагин Иван Вениаминович к.т.н., нач. лаборатории, bragin@okbmei.ru, 125315, Москва, 1-ый Амбулаторный проезд, д. 2-6, кв. 85, 8(495)6734001, Москва, ул. Красноказарменная д. 14, 8(903)2286653
Author’s data
Mikhilov Victor Fedorovich doctor of technical science, professor, kvz_41@aanet.ru, 197110, Saint-Petersburg, Chkalovcy, 16, 82. 8(812)4947024, Saint-Petersburg, B.Morskya, 67, 8(911)9668188
Bragin Ivan Beniaminovich candidate of technical science, head of laboratory, bragin@okbmei.ru, 125315,Moscow, 1 Ambulatornyi, 2-6, 85. 8(495)6734001,Moscow, Krasnokazarmennaya,14, 8(903)2286653
[*](нс) – настоящий сборник
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 71; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!