РАДИОГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ТОМОГРАФ

Полезная модель предназначена для визуализации объектов в однородной среде с помощью сверхвысокочастотных радиоволн. Области применения: дефектоскопия радиопроницаемых материалов; системы обеспечения безопасности; досмотр грузов и багажа.
Известна полезная модель «Радиовизор» (Патент на полезную модель РФ №62255 U1, МПК G02B 27/00). В известном устройстве происходит регистрация интенсивности поля сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, рассеянных исследуемыми объектами.
Недостатком известного устройства является невозможность обработки данных измерений полей для визуализации объектов. Кроме того, устройство не предусматривает сохранение фазовой информации.
Известно изобретение «Многофункциональный радиовизор» (Патент на изобретение РФ №2139522 С1, МПК G01N 22/00, G01R 29/08, G01S 13/95). Данное устройство в голографическом режиме позволяет извлекать фазовую информацию из поля, рассеянного объектом и путем обработки в ЭВМ восстанавливать голограммы объектов. Приемные антенны выполнены в виде моноблока, расположенного в фокусе дополнительной антенны, которая направлена одновременно с излучающей антенной в сторону исследуемого объекта.
Недостатком известного устройства является фокусировка излучения физическим способом с помощью зеркала, что не позволяет изменять расстояние фокусировки путем постобработки. Недостаточно разрешение по дальности.
Наиболее близким по техническим и функциональным признакам является устройство сверхвысокочастотной голографии для неразрушающего контроля «Устройство для получения СВЧ-голограмм и визуализации восстановленного изображения» (Патент на изобретение РФ №2269811 С2, МПК G03H 1/00), состоящее из генератора СВЧ-колебаний, выход которого соединен с освещающей антенной, и нескольких приемных антенн. Приемные антенны последовательно соединены с введенными в устройство: коммутатором, фазочувствительным приемником, аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и компьютером. Второй выход генератора СВЧ-колебаний соединен со вторым входом фазочувствительного приемника. Восстановление изображения осуществляется компьютерной программой методом обращения фронта волнового поля на основе формул Кирхгофа, а визуализация осуществляется любой стандартной программой трехмерной графики.
Недостаток известного устройства состоит в том, что опорный СВЧ сигнал подводится к смесительным диодам по СВЧ линиям передачи, что приводит к технической сложности и повышению стоимости конструкции. Измерения производятся на одной частоте, что не позволяет получить на восстанавливаемых изображениях разрешение по дальности. Используется единственный излучатель, что требует применения заполненной матрицы приемных антенн.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение технической части и снижение стоимости устройства, восстановление трехмерных радиоволновых изображений рассеивающих объектов с разрешением по дальности, обеспечение возможности применения разреженной матрицы приемных антенн.
Поставленная задача решена тем, что в радиоголографическом томографе, включающем генератор СВЧ излучения, излучатели, приемные антенны, аналого-цифровой преобразователь, вычислительное устройство восстановления и визуализации изображения объекта внесены существенные конструктивные изменения. Томограф, в отличие от прототипа, оборудован М>1 излучателями, приемные антенны сгруппированы в N>1 приемных матриц по L>1 антенн в каждой, а генератор СВЧ выполнен многоканальным и перестраиваемым в широкой полосе частот. Излучатели расположены так, что одновременно облучают и исследуемый объект, и приемные матрицы, а выходы каждой приемной матрицы симметрично подключены к СВЧ диодам детектирования амплитуды сигналов, выходы СВЧ диодов детектирования соединены с L-канальным мультиплексором, подключенным своими адресными линиями и аналоговым выходом к микроконтроллеру. Излучатели имеют возможность включаться по заданной программе микроконтроллером, который управляет выбором излучателя. Кроме того, микроконтроллер получает сигналы мультиплексора и передает их в вычислительное устройство, которое снабжено компьютерной программой построения голографических изображений методом пространственно-согласованной фильтрации и визуализации.
Новым является то, что в устройстве применен перестраиваемый сверхширокополосный генератор и использовано М излучателей и N приемных матриц по L антенных элементов в каждой. Антенны подключены к детекторным СВЧ диодам, что необходимо для извлечения напряжения, пропорционального амплитуде входного СВЧ сигнала.
На фиг.1 показано схематическое изображение заявленного устройства.
Томограф содержит М независимых СВЧ излучателей 1, многоканальный перестраиваемый СВЧ генератор 2, приемные сверхширокополосные СВЧ антенны 3, подключенные к СВЧ диодам 4 в приемной матрице 5 (количество приемных матриц N>1). Микроконтроллер 7 соединен с мультиплексорами 6 по бинарным адресным входам и аналоговым входам 8, а также с вычислительным устройством обработки сигнала и визуализации объекта (на рисунке не показано).
Устройство работает следующим образом.
Для включения устройства необходимо подать питание на микроконтроллер 7, на микросхемы мультиплексора 6 и на СВЧ генератор 2. По цифровой линии 9 микроконтроллер управляет частотой генератора 2 и выбирает излучатель 1, подключенный к одному из выходов генератора.
Радиоволны от включенного излучателя облучают исследуемый объект 10 и приемную матрицу 5, объект 10 рассеивает радиоволны в сторону приемной матрицы 5, в результате чего происходит интерференция опорной и предметной волны на приемной матрице. Напряжение с диодов поступает на входы L канального мультиплексора, аналоговый выход которого подключается к аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера. Таким образом, микроконтроллер управляет адресными линиями N мультиплексоров, и запоминает напряжения на выходе всех мультиплексоров для всех состояний адресных линий.
Далее микроконтроллер передает измеренные напряжения в вычислительное устройство обработки сигнала и визуализации объекта. Производится поочередное включение М излучателей, которые подключены к перестраиваемому СВЧ генератору. Применение нескольких (М) излучателей обеспечивает возможность применения разреженной матрицы приемных антенн, то есть антенны могут размещаться на расстояниях более половины длины волны. Частота генератора и порядок включения излучателя задается микроконтроллером. Перестройка частоты генератора дает возможность осуществления сверхширокополосного радиозондирования и получение разрешения по дальности.
Для заданной частоты и каждого номера включенного излучателя производится полный перебор состояний мультиплексоров приемных матриц и передача измеренных данных в вычислительное устройство обработки и визуализации. При этом излучатели расположены таким образом, что каждый излучатель одновременно облучает исследуемый объект и приемные матрицы, что создает интерференцию опорного и предметного сигналов для сохранения фазовой информации.
Восстановление радиоволновых изображений объектов осуществляется следующим образом: исследуемый объект размещается напротив устройства, так что все СВЧ излучатели облучают исследуемую часть объекта, которая находится в области прямой видимости антенн приемных матриц. Объект размещается на расстоянии менее апертуры области приема. Микроконтроллер получает сигналы мультиплексора и передает измеренные данные в вычислительное устройство, осуществляющее компьютерной программой топографическую обработку на основе метода пространственно-согласованной фильтрации и визуализации изображений объектов.
Заявленное устройство не требует измерения фазы радиоволн, а использует только измерение амплитуды волн (интенсивности). При этом устройство позволяет в реальном времени получать трехмерные изображения объектов с разрешением, близким к дифракционному пределу радиолокаторов с синтезированной апертурой, использующих информацию о фазе, т.е. близким к теоретическому пределу. Измерение интенсивности поля на сверхвысоких частотах миллиметрового диапазона является технически намного более простой задачей, чем измерение фазы, так как не требуется использование дорогостоящих высокочастотных СВЧ устройств (смесителей, волноводных трактов, антенных решеток), производство которых требует высокой точности и в полной мере еще не отлажено. Это позволяет значительно удешевить и упростить систему радиовидения.
Техническим результатом предлагаемого устройства является обеспечение восстановления трехмерных радиоволновых изображений рассеивающих объектов, возможность применения разреженной матрицы приемных антенн. Прямое подключение СВЧ диода к приемной антенне позволяет сократить количество СВЧ трактов в схеме и производить коммутацию низкочастотных сигналов, что упрощает конструкцию и снижает стоимость устройства.
Радиоволны обладают достаточной проникающей способностью для исследования большинства диэлектрических и полупроводящих сред и при этом безопасны для человека. Сканирование данным устройством, например, при досмотре, абсолютно безвредно для здоровья.