Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли

Описан радиолокатор подповерхностного зондирования со ступенчатым изменением несущей частоты, предназначенный для обнаружения и идентификации небольших подповерхностных объектов. Для этого использована гомодинная архитектура с широкополосным демодулятором для измерения квадратурных составляющих сигн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Сугак, В.Г., Букин, А.В., Васильева, Е.М., Овчинкин, О.А., Педенко, Ю.А., Силаев, Ю.С., Тарнавский, Е.В., Бормотов, В.Н., Сугак, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2010
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Прикладная радиофизика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105821
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли / В.Г. Сугак, А.В. Букин, Е.М. Васильева, О.А. Овчинкин, Ю.А. Педенко, Ю.С. Силаев, Е.В. Тарнавский, В.Н. Бормотов, А.В. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 1(15), № 3. — С. 92-97. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-105821
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1058212016-09-11T03:02:40Z Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли Сугак, В.Г. Букин, А.В. Васильева, Е.М. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С. Тарнавский, Е.В. Бормотов, В.Н. Сугак, А.В. Прикладная радиофизика Описан радиолокатор подповерхностного зондирования со ступенчатым изменением несущей частоты, предназначенный для обнаружения и идентификации небольших подповерхностных объектов. Для этого использована гомодинная архитектура с широкополосным демодулятором для измерения квадратурных составляющих сигналов. Отличительной особенностью радиолокатора является использование щелевой магнитной антенны, в которой реализована возможность электронно переключать поляризацию излучения и приема для измерения кросс-поляризованных компонент отраженных сигналов без изменения фазового центра антенны. Описано радіолокатор підповерхневого зондування зі ступеневою зміною несучої частоти, який призначено для виявлення та ідентифікації малих підповерхневих об’єктів. Для цього застосовано гомодінну архітектуру з широкосмуговим демодулятором для виміру квадратурних складових сигналів. Відмітною особливістю радіолокатора є використання щілинної магнітної антени, у якій реалізовано можливість електронно перемикати поляризацію випромінювання та прийому для виміру кросс-полрязизаційних компонент відбитих сигналів без зміни фазового центра антени. Stepped Frequency Continuance Wave Ground Penetrating Radar (SFCW GPR) intended for detecting and recognizing small buried objects is described. The homodyne structure of the SFCW GPR in which a wideband demodulatore is applied for measuring quadrature signal components. The advantage of the GPR is application of developed slot magnetic antenna that allows the cross polarized components of reflected signals to be measured by using an electronically commutated slots of the antenna. 2010 Article Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли / В.Г. Сугак, А.В. Букин, Е.М. Васильева, О.А. Овчинкин, Ю.А. Педенко, Ю.С. Силаев, Е.В. Тарнавский, В.Н. Бормотов, А.В. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 1(15), № 3. — С. 92-97. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105821 621.396.969.25 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика
spellingShingle	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика Сугак, В.Г. Букин, А.В. Васильева, Е.М. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С. Тарнавский, Е.В. Бормотов, В.Н. Сугак, А.В. Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли Радіофізика та електроніка
description	Описан радиолокатор подповерхностного зондирования со ступенчатым изменением несущей частоты, предназначенный для обнаружения и идентификации небольших подповерхностных объектов. Для этого использована гомодинная архитектура с широкополосным демодулятором для измерения квадратурных составляющих сигналов. Отличительной особенностью радиолокатора является использование щелевой магнитной антенны, в которой реализована возможность электронно переключать поляризацию излучения и приема для измерения кросс-поляризованных компонент отраженных сигналов без изменения фазового центра антенны.
format	Article
author	Сугак, В.Г. Букин, А.В. Васильева, Е.М. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С. Тарнавский, Е.В. Бормотов, В.Н. Сугак, А.В.
author_facet	Сугак, В.Г. Букин, А.В. Васильева, Е.М. Овчинкин, О.А. Педенко, Ю.А. Силаев, Ю.С. Тарнавский, Е.В. Бормотов, В.Н. Сугак, А.В.
author_sort	Сугак, В.Г.
title	Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли
title_short	Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли
title_full	Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли
title_fullStr	Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли
title_full_unstemmed	Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли
title_sort	радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Прикладная радиофизика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/105821
citation_txt	Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли / В.Г. Сугак, А.В. Букин, Е.М. Васильева, О.А. Овчинкин, Ю.А. Педенко, Ю.С. Силаев, Е.В. Тарнавский, В.Н. Бормотов, А.В. Сугак // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 1(15), № 3. — С. 92-97. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT sugakvg radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT bukinav radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT vasilʹevaem radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT ovčinkinoa radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT pedenkoûa radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT silaevûs radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT tarnavskijev radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT bormotovvn radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli AT sugakav radiolokatorsostupenčatymizmeneniemčastotydlâobnaruženiâiraspoznavaniâmalogabaritnyhobʺektovpodpoverhnostʹûzemli
first_indexed	2025-07-07T17:29:59Z
last_indexed	2025-07-07T17:29:59Z
_version_	1837010155594579968
fulltext	__________ ISSN 1028–821X Радіофізика та електроніка, 2010, том 1(15), № 3 © ІРЕ НАН України, 2010 ПРИКЛАДНАЯ РАДИОФИЗИКА УДК 621.396.969.25 В. Г. Сугак, А. В. Букин, Е. М. Васильева, О. А. Овчинкин, Ю. А. Педенко, Ю. С. Силаев, Е. В. Тарнавский, В. Н. Бормотов, А. В. Сугак РАДИОЛОКАТОР СО СТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ ПОД ПОВЕРХНОСТЬЮ ЗЕМЛИ Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: sugak@ire.kharkov.ua Описан радиолокатор подповерхностного зондирования со ступенчатым изменением несущей частоты, предназначенный для обнаружения и идентификации небольших подповерхностных объектов. Для этого использована гомодинная архитектура с широкополосным демодулятором для измерения квадратурных составляющих сигналов. Отличительной особенностью радиолока- тора является использование щелевой магнитной антенны, в которой реализована возможность электронно переключать поляриза- цию излучения и приема для измерения кросс-поляризованных компонент отраженных сигналов без изменения фазового центра антенны. Ил. 7. Библиогр.: 4 назв. Ключевые слова: радиолокатор подповерхностного зондирования, ступенчатое изменение частоты, поляризация. В современных технологиях применения подповерхностной радиолокации наблюдаются тенденции расширения спектра возможностей георадаров, направленные прежде всего на улуч- шение качества интерпретации результатов зон- дирования. Это касается, в первую очередь, воз- можности идентификации сравнительно неболь- ших объектов как искусственного, так и есте- ственного происхождения, находящихся под по- верхностью. Для этого необходимо увеличивать количество информационных признаков объек- тов, извлекаемых из радиолокационных сигналов. Более широкими возможностями в этом плане по сравнению с импульсными георадарами обладают георадары непрерывного излучения со ступенчато-изменяемой частотой – SFCW GPR (Stepped Frequency Continued Wave Ground Pene- trating Radar) [1]. С их помощью, в частности, можно исследовать фазовую структуру сигналов, отраженных объектами. Особенности этой струк- туры, как показано нами ранее [2], позволяют судить о физических свойствах подповерхност- ных объектов. Фазовую структуру можно получить пу- тем измерения квадратурных компонент принятых радиолокационных сигналов. Сравнительно мед- ленное изменение несущей частоты зондирующего сигнала позволяет оценивать частотные зависимо- сти фазовой скорости распространения радиоволн в подповерхностном пространстве и их погонного затухания. Это является основой синтеза алгорит- мов реконструкции электрических характеристик слоев грунта и отдельных объектов [3]. Важным информационным признаком для распознавания объектов могут служить поляриза- ционные отличия радиолокационных отражений на двух взаимно ортогональных поляризациях из- лучения и приема сигналов. В данном случае ос- новной проблемой является разработка антенной системы, способной эффективно излучать и при- нимать отраженные подповерхностными объекта- ми сигналы на двух ортогональных поляризациях с неизменным фазовым центром антенн. Согласно принятой в мировой литературе классификации [1, 4] существуют три структур- ные схемы построения SFCW GPR: гомодинная, гетеродинная и супергетеродинная. Например, в гетеродинной схеме применяется дополнитель- ный следящий синтезатор частот, с помощью ко- торого принимаемый сигнал переносится на фик- сированную промежуточную частоту с последу- ющей демодуляцией сигнала уже на этой частоте. В нашем случае была выбрана гомодин- ная схема, в которой квадратурные составляющие принимаемого сигнала получаются путем прямой демодуляции при использовании части излучае- мого сигнала в качестве опорного. Эта схема поз- волила значительно упростить архитектуру гео- радара, исключив возниковение дополнитель- ных комбинационных составляющих, присущих гетеродинной и супергетеродинной схемам и ис- кажающих результаты зондирования. Проблема более интенсивных по сравне- нию с гетеродинной схемой помех, обусловлен- ных низкочастотными фликкер-шумами, реша- лась нами путем выбора соответствующего вре- мени накопления принимаемых сигналов. Преодоление другого недостатка гомо- динной схемы, связанного с повышенными тре- бованиями к чистоте спектра зондирующего сиг- нала, решалось за счет использования специаль- ных схемных решений, о чем будет сказано далее. mailto:sugak@ire.kharkov.ua В. Г. Сугак и др. / Радиолокатор со ступенчатым изменением… _________________________________________________________________________________________________________________ 93 1. Структурная схема SFCW GPR. Раз- работанный нами SFCW GPR предназначен для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов в диапазоне частот 500…900 МГц на глубинах до нескольких метров. Его схема пред- ставлена на рис. 1. ___________________________________________ Рис. 1. Блок-схема георадара со ступенчатым изменением частоты ___________________________________________ Георадар содержит два канала: передаю- щий и приемный, разделенные между собой ши- рокополосным циркулятором. В состав георадара входят следующие элементы: антенна, содержащая переключатель поляризации; циркулятор; ответвитель опорного сигнала; усилитель мощности, к выходу которого подключен фильтр низких частот (ФНЧ); синте- затор частоты, выполняющий также функцию автоматической регулировки мощности (АРМ); приемник и блок управления, содержащий анало- го-цифровой преобразователь (АЦП). Выделение синусной и косинусной со- ставляющих принимаемого сигнала (соответст- венно I и Q ) осуществляется на несущей частоте с помощью квадратурного демодулятора. В каче- стве опорного используется часть излучаемого сигнала, что позволяет выполнять сравнение при- нимаемого сигнала с сигналом, фазовые характе- ристики которого аналогичны характеристикам излучаемого сигнала. Сигнал передатчика заданной частоты формируется с помощью синтезатора на основе кольца фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Зависимость частоты излучаемого сигнала от времени на протяжении одного периода измере- ний показана на рис. 2. Каждый период зондиру- ющего сигнала состоит из двух частей: в первой частота ступенчато возрастает, а во второй – снижается до начального значения. Такое реше- ние позволяет уменьшить ошибки измерения, возникающие при работе с малыми периодами, при которых время перехода с текущей частоты на следующую, обусловленное характеристиками системы ФАПЧ, соизмеримо или несколько меньше длительности ступеньки. Так как ошибки установки частоты на восходящей и нисходящей ветви имеют противоположные знаки, усредне- ние результатов измерений по двум ветвям в ос- новном решает данную проблему. Рис. 2. Зависимость частоты излучаемого сигнала от времени На каждой частотной ступеньке выбира- ется серия, состоящая из N синхронных незави- симых отсчетов I и Q, и их преобразование в Приемник Квадратурный демодулятор Буферный усилитель Блок управления Антенна Циркулятор Передатчик Сигнал АРМ Усилитель мощности ФНЧ АЦП Синтезатор частоты Микро- контроллер Персональный компьютер W Q I Управление p–i–n-переключателем 900 500 Точки выборок f, МГц Период измерений Длительность ступеньки t 1, 2…N-1, N В. Г. Сугак и др. / Радиолокатор со ступенчатым изменением… _________________________________________________________________________________________________________________ 94 цифровую форму. В результате выполнения цик- ла, состоящего из M периодов измерений, для каждой ступеньки получаем MNK 2 пар выбо- рок. M и N могут принимать практически любые значения от 1 и выше. При дальнейшей обработке осуществляется усреднение выборок сигнала, что эквивалентно сужению полосы приема и повы- шению отношения сигнал-шум приемника. Уве- личивая M и N, можно получить требуемое зна- чение этого отношения. Рассмотрим блоки, входящие в состав гео- радара, подробнее. 2. Синтезатор частоты. Синтезатор ча- стоты выполнен по стандартной схеме с использо- ванием кольца ФАПЧ. В его состав входит микро- схема MC145193, с помощью которой вырабаты- вается сигнал управления, определяющий часто- ту генерации внешнего гетеродина в диапазо- не 500…900 МГц. Синтезатор имеет две особенности. Пер- вая из них обусловлена требованием широко- диапазонности перестройки по частоте. Эта за- дача решена путем использования управляемо- го генератора, выполненного по схеме Колпица. При этом индуктивная ветвь колебательного кон- тура cоставлена из последовательно соединенных индуктивности и двух встречно включенных ва- ракторов. Полное включение варакторов в коле- бательный контур увеличивает фазовые шумы, однако обеспечивает коэффициент перестройки по частоте, почти равный двум. Второй особенностью синтезатора явля- ется то, что с целью подавления гармоник гене- рируемого сигнала, что особенно важно на ниж- нем участке диапазона работы георадара, в его состав включен электронно перестраиваемый ФНЧ. Для его перестройки используется тот же сигнал, что и для управления частотой гетероди- на. Это позволяет изменять верхнюю границу ФНЧ синхронно с частотой гетеродина. В блоке синтезатора частоты размещен и электронно управляемый аттенюатор, входящий в систему АРМ. Время перехода со ступеньки на ступень- ку, обусловленное длительностью переходных процессов, не превышает 2 мс. 3. Усилитель мощности. Сигнал с выхо- да синтезатора частоты подается на усилитель мощности, состоящий из предварительного и ос- новного усилителя мощности. Предварительный усилитель реализован с использованием микро- схемы AH31, имеющей повышенный динамиче- ский диапазон и уровень шумов ниже 1,9 дБ. Его усиление составляет не менее 10 дБ. Основной усилитель мощности радиоча- стоты имеет 4 каскада усиления, работающих в классе «А», что обеспечивает удовлетворитель- ную линейность во всем рабочем диапазоне ча- стот. Усилитель выполнен на кремниевых тран- зисторах типа КТ939 и КТ948, коэффициент уси- ления составляет не менее 20 дБ при выходной мощности 1,8 Вт. Для подавления гармоник выходного сигнала усилителя мощности на его выходе уста- новлен ФНЧ типа Чебышева седьмого порядка с частотой среза 920 МГц. За счет него подавление 3-й гармоники составило не менее 40 дБ. 4. Блок управления. Устройство содер- жит двухканальный высокоскоростной 16-бит- ный АЦП и узел управления на RISK-микро- контроллере с быстродействием 15 Мб/с. Основное назначение блока состоит в управлении потоками данных при выполнении работ с помощью георадара. В соответствии с этим блок преобразует данные из аналоговой в цифровую форму, сохраняет выборки данных, передает их на компьютер и принимает команды от этого компьютера на управление радиочастот- ными узлами. Прецизионный двухканальный АЦП рабо- тает в непосредственном взаимодействии с блоком управления. Прием и одновременное преобразова- ние в цифровую форму синусной и косинусной составляющих принимаемого сигнала осуществля- ется по синхроимпульсам. Пара дифференциаль- ных входных/выходных буферных усилителей обеспечивает эффективное подавление шумов и уменьшает гармонические искажения. Применение оптической развязки умень- шает влияние импульсных помех блока управле- ния на другие узлы локатора. Блок управления разработан на основе RISC-микроконтроллера с архитектурой типа Harvard, который обеспечива- ет широкий диапазон интерфейсов, имеет про- граммируемую память для хранения команд управления и текущих установок, обеспечиваю- щих заданный режим работы георадара. Блок управления содержит также память типа SRAM для накопления данных и интерфейс типа RS-232 для связи с компьютером. Как сказано ранее, блок управления вырабатывает импульсы син- хронизации для АЦП, а также накапливает дан- ные, получаемые при работе георадара, и переда- ет их в компьютер по завершении измерения. Ко- ды установок, характеризующие режим работы георадара, и программа управления, хранящиеся в памяти микроконтроллера, могут быть измене- ны с помощью центрального компьютера. 5. Приемное устройство. Благодаря вы- бору гомодинной схемы, а также исключению входного усилителя высокой частоты, приемное устройство оказалось относительно простым. В его состав входит широкополосный квадратур- ный демодулятор, подключенный к антенне через циркулятор, низкочастотоный усилитель и ФНЧ. В. Г. Сугак и др. / Радиолокатор со ступенчатым изменением… _________________________________________________________________________________________________________________ 95 Чтобы обеспечить большой динамиче- ский диапазон входных сигналов, предотвратить перегрузку приемника мощными сигналами от поверхности раздела и обеспечить работу в широ- кой полосе частот, был использован отвечающий этим требованиям квадратурный демодулятор, выполненный на микросхеме типа HMC597LP4. Он предназначен для работы в диапазоне ча- стот 100…4000 МГц, допускает мощность вход- ного сигнала не менее 12 дБм. Коэффициент преобразования сигналов в демодуляторе – не ме-нее –3,5 дБ, развязка между сигналом и гете- ро-дином превышает 65 дБ. С дифференциальных выходов микро- схемы полученные квадратурные составляющие принятого отраженного сигнала поступают на входы малошумящих инструментальных опера- ционных усилителей. Общий коэффициент уси- ления приемника – не менее пяти. Полоса про- пускания приемника – 0…10 кГц. 6. Антенная система. Одной из основ- ных проблем при использовании квазинепрерыв- ного зондирующего сигнала является подавление прямого просачивания излучаемого сигнала в тракт приемника, который может приводить к насыщению приемника. Это ограничивает мощ- ность излучения и, как следствие, уменьшает глу- бину зондирования. Для решения этой проблемы существует несколько путей: – применяют отдельные, разнесенные в про- странстве антенны для излучения и приема отра- женных сигналов; – используют широкополосный циркулятор, который позволяет разделить сигналы излучения и приема. В первом случае излучаемый сигнал и сигналы, отраженные подповерхностными объек- тами, проходят разные пути, и это не позволит получить достаточную поляризационную селек- цию объектов в случае применения антенны с пе- реключаемой поляризацией. Циркулятор же поз- воляет применять одну и ту же антенну на прием и передачу с неизменным положением фазового центра антенны. Для осуществления поляризационной се- лекции объектов мы использовали разработанную нами магнитную щелевую антенну, которая поз- воляет излучать и принимать сигналы на ортого- нальных поляризациях. При этом фазовые центры антенн совмещены, что исключает появление до- полнительных фазовых искажений сигналов за счет разных путей распространения радиоволн. Развязка между этими двумя каналами составляет более 25 дБ. Конструктивно антенна выполнена в виде металлического резонатора, в плоскости которо- го, обращенной к поверхности земли, прорезаны две щели, образованные четырьмя лепестками и поверхностью резонатора. Конфигурация этих щелей схематично показана на рис. 3. Лепестки антенны 1–4 расположены на нижней поверхности антенны. Попарное соеди- нение лепестков 1-го со 2-м и 3-го с 4-м в местах, помеченных точками, образует излучающую щель 6–8. Аналогично, соединение лепестков 1-го с 4-м и 2-го с 3-м образует щель 5–7, перпендику- лярную щели 6–8. Резонатор антенны образован верхним экранирующим коробом круговой ци- линдрической формы 9. Рис. 3. Щелевая магнитная антенна с электронным переклю- чением поляризации излучения приема Антенная система работает следующим образом. Внешнее переключающее устройство, реализованное на p–i–n-диодах, поочередно за- мыкает лепестки в сочетаниях, описанных выше. Управление переключающим устройством осу- ществляется сигналами, поступающими из блока управления. Выходной фидер радиолокатора посто- янно подсоединен к лепесткам 2 и 4. Отраженный от лоцируемого объекта сигнал поступает в при- емное устройство и далее в блок цифровой обра- ботки. Таким образом осуществляется измерение кросс-поляризационных составляющих отражен- ного сигнала без механического поворота антен- ны и без изменения пространственного положе- ния ее фазового центра. На рис. 4 представлена фотография ан- тенны в рабочем положении в составе измери- тельного стенда. А-А А А В. Г. Сугак и др. / Радиолокатор со ступенчатым изменением… _________________________________________________________________________________________________________________ 96 Разработанная антенна с электронным переключением поляризации обеспечивает эф- фективное излучение и прием, а также, как следу- ет из рис. 5, имеет небольшой коэффициент стоя- чей волны (КСВ) во всем рабочем диапазоне ча- стот. Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности в подповерхност- ном пространстве составляет около 40. Рис. 4. Фотография антенны в рабочем положении при испы- таниях на лабораторном стенде Рис. 5. КСВ антенны 7. Тестирование георадара. Для оценки динамического диапазона георадара выход широко- полосного линейного усилителя через аттенюатор соединялся с входом приемника через линию за- держки, выполненную в виде отрезка коаксиаль- ного кабеля. После обработки принятых сигналов была получена автокорреляционная функция, ее максимум приходится на частоту, соответствую- щую задержке сигнала в кабеле (рис. 6). Кроме основного лепестка, можно наблюдать, в частно- сти, боковой лепесток, обусловленный нелиней- ными искажениями (главным образом в усилите- ле мощности) и соответствующий 3-й гармонике зондирующего сигнала. Из рисунка видно, что уровень этого бокового лепестка подавлен не ме- нее чем на 50 дБ, а уровень шумов и помех друго- го происхождения составляет –80 дБ относитель- но уровня полезного сигнала. Рис. 6. Автокорреляционная функция зондирующего сигнала Результаты тестирования показали, что разработанный георадар позволяет обнаруживать подповерхностные объекты в динамическом диа- пазоне, достигающем 80 дБ. В реальной среде дипазон может быть хуже из-за помеховых отра- жений, создаваемых неоднородностями грунта. Ясно также, что 3-я гармоника зондиру- ющего сигнала является источником ложных от- ражений, искажающих получаемое радиолокаци- онное изображение. Эти искажения будут прояв- ляться в появлении отражений, приходящих с глубин, равных утроенному значению глубин действительных отражателей. Величина ложных отражений для среды без потерь, как видно из рис. 6, составляет око- ло –50 дБ по отношению к полезному сигналу. Для реальной среды уровень этих отражений мо- жет существенно отличаться от указанного под влиянием ряда факторов, в том числе величины погонного затухания сигналов в грунте и ее зави- симости от частоты сигнала, а также от глубины залегания лоцируемого объекта. Испытание георадара проводилось в ла- бораторных условиях с использованием специ- ально изготовленного стенда. Стенд состоял из короба, наполненного песком, и механической системы для передвижения георадара в двух вза- имно перпендикулярных направлениях над по- верхностью песка. В качестве примера на рис. 7 приведены радиолокационные изображения небольшого симметричного объекта (жестяная банка объемом около 0,5 дм 3 , помещенная на глубину 40 см), полученные на двух ортогональных поляризациях излучения и приема. Изображения получены после примене- ния двумерного синтеза апертуры антенны вдоль движения георадара и подавления помеховых отражений от окружающих неоднородностей структуры грунта (песка). 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 К С В 400 600 800 1000 1200 f, МГц Д и н ам и ч ес к и й д и ап аз о н  8 0 д Б 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 F, кГц 20 0 20 40 60 80 100 S (F ), д Б Уровень 3-й гармоники  50 дБ В. Г. Сугак и др. / Радиолокатор со ступенчатым изменением… _________________________________________________________________________________________________________________ 97 а) б) Рис. 7. Радиолокационные изображения небольшого металли- ческого объекта на двух ортогональных поляризациях излуче- ния и приема: а) – вектор поляризации направлен под уг- лом 45° к дистанции; б) – –45° к дистанции; крестиком поме- чено действительное положение объекта Видно, что изображения во многом сов- падают, что позволяет надеяться на получение приемлемых результатов при поляризационной селекции объектов. Небольшое смещение изоб- ражений вдоль дистанции является следствием отклонения диаграмм направленности антенны из-за различия паразитных емкостей поляризаци- онного коммутатора на двух поляризациях антен- ны и задержек для токов, текущих по дополни- тельным дорожкам коммутатора. Это налагает повышенные требования к разработке поляриза- ционного коммутатора. Выводы. Разработан георадар с пошаго- вым изменением частоты зондирующего сигнала в диапазоне частот 500…900 МГц для обнаруже- ния и идентификации малогабаритных объектов на глубинах до 2–3 метров. В георадаре реализо- вано измерение квадратурных компонент приня- тых сигналов, что позволяет получить фазовую структуру сигналов и использовать ее особенно- сти для разпознавания этих объектов. Принципиально новым в георадаре явля- ется применение одной приемо-передающей ан- тенны с электронным переключением поляризации на 90°. Это дает возможность излучать и прини- мать сигналы на ортогональных поляризациях, что существенно расширяет возможности обнаруже- ния и распознавания небольших объектов на фоне- сигналов, отраженных от границ раздела сред с разными электрическими характеристиками. 1. Noon D. A. Stepped-frequency radar design and signal pro- cessing enhances ground penetrating radar performance: Ph. D. dissertation / D. A. Noon; Univ. of Queensland, Aus- tralia. – 1996. 2. Сугак В. Г. Применение фазовой структуры сигналов при подповерхностном зондировании для обнаружения и оценки физических свойств объектов и неоднородностей / В. Г. Сугак, А. В. Сугак // 3-й Междунар. радиоэлектрон- ный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (МРФ-2008): сб. науч. тр. Т. 1. Междунар. конф. «Современные и перспективные систе- мы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой нави- гации». Ч. 2. – Х.: АНПРЭ, ХНУРЭ. – 2008. – С. 192–195. 3. Сугак В. Г. Восстановление электрических характеристик грунта и глубины залегания объектов по результатам под- поверхностного зондирования / В. Г. Сугак // Радиофизи- ка и электрон.: сб. науч. тр. / Ин-т радиофизики и элек- трон. НАН Украины. – Х., 2002. – 7, № 3. – С. 491–497. 4. Iizuka K. Step-frequency radar / K. Iizuka, A. P. Freundorfer, K. H. Wu, H. Mori, H. Ogura, V.-K. Nguyen // J. Appl. Phys. – 1984. – 56, N 9. – P. 2572–2583. V. G. Sugak, A. V. Bukin, E. M. Vasilyeva, O. V. Ovchinkin, Yu. A. Pedenko, Yu. S. Silaev, E. V. Tarnavskiy, V. N. Bormotov, A. V. Sugak STEPPED FREQUENCY CONTINUANCE WAVE GROUND PENETRATING RADAR (SFCW GPR) INTENDED FOR DETECTING AND RECOGNIZING SMALL BURIED OBJECTS Stepped Frequency Continuance Wave Ground Pene- trating Radar (SFCW GPR) intended for detecting and recognizing small buried objects is described. The homodyne structure of the SFCW GPR in which a wideband demodulatore is applied for measuring quadrature signal components. The advantage of the GPR is application of developed slot magnetic antenna that allows the cross polarized components of reflected signals to be measured by using an electronically commutated slots of the antenna. Key words: ground penetrating radar, stepped frequen- cy continuance wave, polarization. В. Г. Сугак, О. В. Букін, Є. М. Васильєва, О. О. Овчинкін, Ю. О. Педенко, Ю. С. Сілаєв, Є. В. Тарнавський, В. Н. Бормотов, О. В. Сугак РАДІОЛОКАТОР ЗІ СТУПЕНЕВОЮ ЗМІНОЮ ЧАСТОТИ ДЛЯ ВИЯВЛЕННЯ ТА РОЗПІЗНАВАННЯ МАЛОГАБАРИТНИХ ОБ’ЄКТІВ ПІД ПОВЕРХНЕЮ ЗЕМЛІ Описано радіолокатор підповерхневого зондування зі ступеневою зміною несучої частоти, який призначено для виявлення та ідентифікації малих підповерхневих об’єктів. Для цього застосовано гомодінну архітектуру з широкосмуго- вим демодулятором для виміру квадратурних складових сиг- налів. Відмітною особливістю радіолокатора є використання щілинної магнітної антени, у якій реалізовано можливість елект- ронно перемикати поляризацію випромінювання та прийому для виміру кросс-полрязизаційних компонент відбитих сигналів без зміни фазового центра антени. Ключові слова: радіолокатор підповерхневого зон- дування, ступенева зміна частоти, поляризація. Рукопись поступила 26.03.10 г. 0 5 1 0 0,1 0,2 0,3 Дистанция, м Г л у б и н а, м 0 5 1 Г л у б и н а, м 0 0,1 0,2 0,3 Дистанция, м

Радиолокатор со ступенчатым изменением частоты для обнаружения и распознавания малогабаритных объектов под поверхностью земли

Репозитарії

Схожі ресурси