Особенности радиолокационных образов в системах радиовидения ММ-диапазона

ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005

Особенности радиолокационных образов в системах радиовидения ММ-диапазона

А. Е. Ананенков, А. В. Коновальцев, В. М. Нуждин,

В. В. Расторгуев, В. А. Шевцов

Московский авиационный институт (государственный технический университет) МАИ,

кафедра радиоприемных устройств

В статье приводятся результаты исследований характеристик рассеяния широкополосных зондирующих сигналов в системах радиовидения ММ-диапазона длин волн. Результаты проведенных исследований базируются на серии натурных испытаний одной из основных разновидностей систем радиовидения — автомобильной РЛС (АРЛС) переднего обзора с частотной модуляцией (ЧМ) ММ-диапазона длин волн. В качестве примера представлены результаты анализа характеристик радиолокационных изображений участков автодороги с различными типами дорожного покрытия при различных погодных условиях, а так-

Введение

В настоящее время признано, что системы радиовидения (СРВ) становятся основным всепогодным информационным датчиком для наземных транспортных средств нового поколения. Одной из основных разновидностей СРВ являются автомобильные радиолокационные станции (АРЛС) переднего обзора ММ-диапазона длин волн [1].

Для решения проблемы безопасного движения наземного транспорта в условиях ограниченной или отсутствия оптической видимости рядом отечественных и зарубежных фирм ведутся работы по созданию радиолокационных систем предупреждения столкновений. Эти радиолокационные системы, в основном, строятся как информационно-предупредительные системы, которые формируют предупреждающие сигналы о появлении «невидимых» препятствий на трассе движения транспортного средства на критических дальностях. Однако большинство разработанных и создаваемых автомобильных радиолокационных систем не позволяет решить задачу безопасного движения транспортного средства в отмеченных выше условиях.

Для решения этой проблемы, а именно: обеспечения безопасного движения наземных транспортных средств в условиях ограниченной или отсутствия оптической видимости, на кафедре радиоприемных устройств МАИ разработана, изготовлена и испытана система радиовидения (СРВ) ММ-диапазона длин волн с частотной модуляцией (ЧМ), которая является развитием панорамных РЛС обзора пространства ближнего радиуса действия. Созданная СРВ обладает высоким дальномерным и азимутальным про-

же при наличии в сцене типовых объектов искусственного происхождения (ОИП): дорожных знаков, табло, дорожных ограждений, различных типов автомобилей. С целью создания статистически устойчивых радиолокационных образов ОИП, пригодных для решения задачи идентификации и распознавания этих объектов, в статье представлены результаты экспериментальных измерений пространственно-временных характеристик ло-цируемых объектов и, в частности, угловых и дальномерных распределений интенсивностей сигнала рассеяния для грузовых и легковых автомобилей, а также других ОИП.

странственным разрешением, а также высокой скоростью обновления информации в реальном времени, соизмеримой с телевизионными системами.

Необходимо отметить, что в автомобильных СРВ (далее АРЛС) имеется своя специфика получения радиолокационных изображений (РЛИ): в частности, малая дальность нахождения лоцируемых объектов от АРЛС (ближняя и промежуточная зона Фраунгофера), протяженный характер лоцируемых объектов искусственного происхождения (ОИП), линейные размеры объектов соизмеримы или больше элемента разрешения РЛС, объекты наблюдаются на фоне подстилающей земной поверхности, наличие почти «зеркальных» переотражений от дорожных покрытий.

Данная система, установленная на автомобиле, кроме информационно-предупредительных свойств, обладает уникальной возможностью реализовать интерактивный режим управления транспортным средством путем анализа водителем дорожной ситуации по радиолокационному изображению, выводимому на экран цифрового дисплея.

Проблемы, которые были решены при создании АРЛС, определяются следующими особенностями работы системы:

^ чрезвычайно высоким динамическим диапазоном принимаемых сигналов (>120 дБ),

^ высокой скоростью информационного потока данных, поступающих в блок цифровой обработки,

^ необходимостью работы цифровой системы обработки сигнала в реальном масштабе времени, ^ необходимость работы на одну приемо-передаю-щую антенну с узким (в азимутальной плоскости) сканирующим лучом.

Краткие характеристики созданной АРЛС:

^ рабочая длина волны: X = 8 мм;

^ тип модуляции — частотная непрерывная линейная: ^м=5 кГц, А/д=150 МГц;

^ максимальная мощность излучения: 60 мВт;

^ тип антенны — волноводно-щелевая решетка, сканирующая, частота сканирования: 10 Гц;

^ сектор обзора системы в горизонтальной плоскости: 60-90°;

^ разрешающая способность по дальности: 0,75 м; ^ разрешение по азимуту: <1°;

^ ширина зоны обзора в вертикальной плоскости: 20°; ^ диапазон рабочих дальностей: 5-250 м, (500 м).

В созданной АРЛС радиолокационное изображение представляется на индикаторе в координатах дальность-угол азимута и состоит из 256 X120 информационных точек. Система радиовидения конструктивно состоит из двух функциональных блоков: внешний, содержащий антенную систему и СВЧ часть с приемо-передатчиком, и внутренний, включающий в себя устройства цифровой обработки сигналов и индикатор. Любое ухудшение погодных условий, полное отсутствие оптической видимости (плотный снег, туман, дождь, пыль, дождь) и освещенности не мешает работе системы.

Одной из основных проблем создания подобных систем радиовидения [2-6] в настоящее время становится поиск и формирование статистически устойчивых радиолокационных образов ОИП, пригодных для решения задачи идентификации и распознавания этих объектов с целью управления движением наземного транспорта в условиях ограниченной или отсутствия оптической видимости. Одним из методов решения данной задачи является создание достоверного банка данных о характеристиках рассеяния различных ОИП, в частности, создание банка данных об эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) типичных для АРЛС целей, полученных в соответствующих условиях визирования. Известные из литературы данные об ЭПР ОИП были получены, в основном, при других условиях работы РЛС, а именно: с углами визирования, типичными для локации с аэрокосмических носителей, с усреднением ЭПР цели по ракурсам, а также на не пере-отражающей поверхности. При этом для большинства характерных для АРЛС целей (транспортные средства, дорожные знаки, ограждения и т. д.) данных практически нет.

Для создания такого банка данных, а также экспериментальной отработки методик проектирования транспортных РЛС переднего обзора на кафедре радиоприемных устройств МАИ было проведено большое количество натурных испытаний макетного образца АРЛС ММ-диапазона длин волн с частотной модуляцией (ЧМ). Целью проводимых исследований является:

^ создание экспериментально проверенной электродинамической модели рассеяния электромагнитных волн (ЭМВ) типовыми объектами естественного и искусственного происхождения (ОИП) для наземных транспортных РЛС переднего обзора,

^ разработка комплекса программ обработки сложных радиолокационных изображений (РЛИ) протяженных целей естественного происхождения с ОИП,

^ создание банка данных о характеристиках рассеяния различных ОИП.

Методика эксперимента

Для создания аналитической модели рассеяния электромагнитных волн типовыми ОИП была разработана методика и программа экспериментальных измерений величины ЭПР характерных для АРЛС целей: дорожных знаков, табло, дорожных ограждений, различных типов автомобилей. Для определения величин ЭПР была разработана соответствующая методика [2]. Суть этой методики заключается в следующем.

В соответствии с известной формулой радиолокации мощность сигнала, отраженного точечной целью, определяется соотношением:

Р =

± прм

<?д А2

(4?г)3Д4

Б..

которое справедливо при условии, что отражающий объект имеет реальные геометрические размеры меньше, чем разрешающая способность радиолокатора. На дальностях Я>15 м для уголковых отражателей это условие справедливо.

В выражении (1) обозначено: Рпрм — мощность принятого сигнала; Рпрд — мощность излученного сигнала; С а — КНД (коэффициент направленного действия) антенны; X — длина волны несущего колебания; Я — дальность до отражающего объекта; Sэф — оцениваемый параметр, эффективная площадь отражения (рассеяния) — ЭПР.

Таким образом, из выражения (1) следует, что для оценки величины 5эф необходимо измерить мощность принятого сигнала и определить коэффициент передачи локационной измерительной системы

2 X2

к() (К)=Рщ,л ^

(4 л)3Д4

Кпр (Я).

Данный коэффициент К0 (Я) зависит от дальности и, следовательно, эту зависимость необходимо учитывать при проведении измерений ЭПР объектов, расположенных на различных дальностях.

Необходимо отметить, что в приемнике АРЛС реализована частичная компенсация падения интенсивности принятых сигналов, обусловленная множителем (Я-4), позволяющая существенно снизить динамический диапазон принятых сигналов, подлежащих измерению. Анализ результатов калибровки АРЛС для калибровочного уголкового отражателя показал, что коэффициент передачи измерительной системы может быть аппроксимирован следующей степенной функцией:

К0 (Я)=104-(Я)-

1,7

при этом значения Я в аппроксимирующей функции подставляются в метрах.

ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005

ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005

Тогда для оценки величины ЭПР — 5эф реальных объектов может быть использована следующая связь измеренных интенсивностей/изм (Я):

*^эф

_ Агам (Ю _ т*

-I тт

(Д)-Ю'“4-(Д>

1,7

Ко(Ю

*

где /изм (Я)— измеренная интенсивность сигнала, отраженного исследуемым объектом, который расположен на дальности Я.

Таким образом, выражение (3) устанавливает взаимосвязь между оценкой измеренной интенсивности локационного изображения цели — 1ШМ, значением 5эф и дальностью Я.

Результаты натурных испытаний

В соответствии с разработанной методикой и программой натурных испытаний РЛС переднего обзора была проведена серия экспериментов с макетом автомобильной РЛС (АРЛС) переднего обзора с частотной модуляцией (ЧМ) зондирующего сигнала. На этапе стендовой калибровки макета была проведена калибровка системы АРЛС по дальности, осуществлено измерение динамического диапазона приемника. В частности, измеренный в области нижних частот динамический диапазон при этом составил 55 дБ. Была проведена проверка линейности частотной модуляции зондирующего сигнала, потребовавшая дополнительной коррекции модуляционной характеристики. При согласовании уровней сигнала на выходе приемника и входе блока цифровой обработки сигнала (ЦОС) максимальное значение сигнала был выбрано на уровне 0,6 В.

Анализ зависимости интенсивности шумов от частоты в приемном тракте показал, что средняя интенсивность шума во всем диапазоне частот до 2,4 МГц (а следовательно, и дальностей) не превышает 0,8, т. е. меньше 1 отсчета младшего разряда (не превосходит шумов квантования АЦП).

Если принять во внимание данный факт, то можно построить график потенциальной радиометрической чувствительности АРЛС, которая является функцией, обратной коэффициенту передачи приемного тракта системы:

1

^КГ4-«1’7,

.

К0 (Ю

В табл. 1 и на рис. 1 приведены рассчитанные по выражению (4) значения радиометрической чувствительности АРЛС.

Анализ зависимости радиометрической чувствительности показывает, что с ростом дальности чувствительность АРЛС уменьшается от 0,02 м2 до 0,4 м2, приблизительно в 20 раз, а динамический диапазон системы определяется динамическим диапазоном десятиразрядного АЦП и имеет величину порядка 50 дБ.

При проведении испытаний АРЛС в качестве объектов локации были выбраны три типа загород-

Таблица 1

ных магистральных трасс, характерных для европейской части России:

^ четырехполосная скоростная магистраль с разделительной полосой шириной до 10 м;

^ двухполосная магистраль с двухсторонним движением;

^ однополосная асфальтированная дорога местного значения.

Как показали теоретические и предварительные экспериментальные исследования [3, 4], интенсивность радиолокационных сигналов, отраженных от ОИП (автомобилей, ограждений, дорожных знаков и т. д.), имеет на 3-4 порядка большую величину, чем отражения от естественных протяженных объектов локации — обочины и прилегающей местности. Однако последние содержат существенную информационную компоненту, характеризующую «радиовидимость» дорожного полотна.

При достаточной интенсивности отражений от обочины и прилегающей к магистрали местности можно получить информацию о параметрах дорожного полотна, его ширине, наличии поворотов и пересечений с другими магистралями, а также о положении РЛС на полотне дороги.

Необходимо отметить, что характеристики отражения электромагнитных волн от обочины дороги и прилегающей местности при незначительных высотах подъема РЛС относительно дороги (порядка 1,5 м) и скользящих углах падения в настоящее время изучены слабо. Поэтому основное внимание в данной статье уделено проблеме «радиовидимости» дорожного полотна и оценке ЭПР обочины и прилегающей местности — лесных и кустарниковых массивов, а также различных типов ограждений.

Процедура измерения ЭПР состояла в следующем. После просмотра совместных записей оптических и радиолокационных изображений, записанных на видеомагнитофон, определялся номер файла цифрового массива, сохраненного на жестком диске ЭВМ. С помощью режима просмотра записанных изображений производился вывод этого изображения на экран монитора компьютера. В исследуемом макете предусмотрено два режима вывода радиолокационного изображения: в режиме «реального времени» и в режиме покадрового считывания.

Для уменьшения флюктуаций оцениваемых интенсивностей и, соответственно, ЭПР используется

Рис.1

Рис. 2

операция временного (покадрового) усреднения, которая весьма эффективна для стационарных и относительно однородных объектов локации, таких, например, как обочина, однородный лесной массив.

При проведении измерений в качестве типового режима использовалось равновесное усреднение по 20 кадрам. Далее для удобства визуального анализа усредненного изображения устанавливался режим представления этого изображения пятью фиксированными уровнями яркости экрана: черным, серым, светло-серым, белым и ярко-белым.

Этим градациям яркости соответствуют следующие интенсивности:

^ ярко-белый — более 6500,

^ белый — более 650,

^ светло-серый — более 65,

^ серый — более 6,

^ черный — менее 6.

Далее с помощью программы измерения интенсивности отражений оператором ЭВМ вводятся с клавиатуры необходимые координаты (азимут и дальность) исследуемого объекта, что вызывает перемещение измерительного маркера в виде красного перекрестия внутри светлого прямоугольника в соответствующее место РЛИ. Измеренная интенсивность высвечивается в окне «интенсивность» управляющей панели.

Меняя положение измерительного маркера на РЛИ, измеряются значения интенсивностей, соответствующие исследуемому объекту. Максимальное значение измеренной интенсивности ограничивается величиной 216-разрядностью, передаваемой в ПЭВМ по шине ¡БД. Однако на практике при превышении интенсивности уровня порядка

213

возникают ограничения в АЦП модуля приема и обработки сигнала АРЛС.

На рис. 2 приведен пример радиолокационного и оптического изображений однополосной асфальти-

Таблица 2

Рис. 3

рованной дороги местного значения. Обочина дороги покрыта высокой сухой травой, редким кустарником с отдельно стоящими деревьями. На РЛИ хорошо видны отражения от обочины.

На рис. 3 представлена распечатка той же сцены, что и на рис. 2, но это изображение получено при усреднении 20 кадров, считанных с жесткого диска ЭВМ. С правой стороны от РЛИ видна рабочая панель управления программой обработки.

На этой панели указано имя рабочего файла ХР.24, введены координаты угла азимута и дальности (41 и 60, соответственно). В окне «интенсивность» — измеренная величина оцениваемой интенсивности (237).

Результаты измерения отражений от обочины, полученные при обработке РЛИ, представлены в табл. 2.

Два нижних ряда табл. 2 соответствуют двум независимым реализациям усредненных ЭПР.

Результаты измерения ЭПР обочины для двухполосной магистрали (рис. 4) дают следующие значения (табл. 3).

Радиолокационное и оптическое изображения, соответствующие этому случаю, приводятся на рис. 4. Внешний край обочины двухполосного шоссе покрыт низкой сухой травой и, видимо, отражения формируются только неровностями грунта. На дальностях больших 60 м уровень отражений становится ниже радиометрической чувствительности измерительной системы. В то же время на радиолокационном изображении во всем диапазоне дальностей отчетливо просматриваются отражения от прилегающего к дороге лесного массива.

Результаты измерения ЭПР леса для сцены, представленной на рис. 4, сведены в табл. 4, анализ которой показывает, что ЭПР незначительно возрастает с увеличением дальности.

Таблица 3

ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005

ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005

Таблица 4

Таблица 5

На рис. 5 и 6 представлены реализации совместных изображений двухполосной магистрали, проходящей через лесной массив, с фрагментами металлических ограждений.

Использование соответствующих файлов с цифровыми массивами позволило оценить значения ЭПР металлических ограждений. Результаты измерения ЭПР ограждений представлены в табл. 5.

Величина ЭПР зависит от дальности. Так, для дальности Я = 80 м ЭПР ограждений максимальна и достигает величины порядка 100 м2, на дальностях 20-40 м ЭПР ограждений уменьшается на порядок, что обусловлено уменьшением интерференционного эффекта.

Совместные радиолокационные и оптические изображения двухполосной магистрали, проходящей через населенный пункт, приведены на рис. 7 и 8.

Анализ этих локационных изображений показывает, что отражения от ограждений в виде деревянного забора с каменными столбами, расположенного рядом с дорожным полотном, имеют достаточно высокую интенсивность и отчетливо наблюдаются во всем диапазоне рабочих дальностей РЛС. Измеренная ЭПР имеет величину порядка 20-40 м2.

В процессе экспериментов были получены следующие, достаточно неожиданные результаты измерения ЭПР человека на асфальтовом покрытии (табл. 6).

Сопоставление интенсивности отражений от человека и калибровочного уголкового отражателя (8т1п = 20 м2) во всем диапазоне дальностей давало существенное превышение интенсивностей отражений от человека. Данный факт следует из результатов, приведенных в табл. 6, и может быть объяснен тем, что в рассматриваемых условиях человек как объект локации может быть представлен как многоточечный объект, состоящий из совокупности отражающих элементов, которые в условиях многолуче-

Таблица 6

вого распространения зондирующего сигнала дают существенный рост ЭПР.

Дальнейший анализ результатов экспериментальных измерений был сконцентрирован на исследовании пространственно-временных характеристик лоцируемых объектов и, в частности, угловых и дальномерных распределений интенсивностей сигнала рассеяния для грузовых и легковых автомобилей и других ОИП. Целью данных исследований является создание статистически устойчивых радиолокационных образов, пригодных для решения задач идентификации и распознавания этих объектов.

Для решения данной задачи была разработана прикладная программа обработки экспериментальных РЛИ. Данная программа позволяет вычислять распределение интенсивности отраженного сигнала по сформированному кадру РЛИ в двух сечениях: по дальности и по углу азимута в реальном масштабе времени. Таким образом, с помощью данной программы можно исследовать детальную структуру радиолокационного портрета заданных объектов как естественного, так и искусственного происхождения. Для удобства работы с экспериментальными РЛИ был разработан соответствующий интерфейс, изображение которого приведено на рис. 9.

На данном рисунке показано:

^ текущее РЛИ (слева, вверху), на котором оператор может выбирать заданные сечения по дальности и по углу места (красные линии),

^ панель управления и обработки (в центре, вверху),

^ график зависимости интенсивности отраженного сигнала по углу азимута (справа, вверху),

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

^ график зависимости интенсивности отраженного сигнала по дальности (в центре, внизу).

Примеры вычисления азимутального и дально-мерного распределений интенсивности отраженного сигнала для различных типовых сцен в исследуемой АРЛС приведены на графиках рис. 10-12.

На рис. 10 показан пример оптического и соответствующего радиолокационного изображений двухполосной асфальтовой дороги с металлическим ограждением.

Приведенный на рисунке график азимутального распределения интенсивности отраженного сигнала позволяет четко установить границы дорожного полотна, а также оценить уровень отраженного сигнала для прилегающего к дороге лесного участка и металлического ограждения.

На рис. 11 приведен пример РЛИ автобуса, стоящего на обочине дороги. Для исследуемой АРЛС с высоким пространственным разрешением автобус представляет собой сложную распределенную по дальности и азимуту цель, что подтверждается соответствующими графиками распределения интенсивностей.

На рис. 12 приведен пример РЛИ дорожного перекрестка с двумя автомобилями.

Рис. 7

Из графиков азимутального распределения интенсивности отраженного сигнала хорошо видно, что при данном ракурсе визирования автомобиль имеет сложный, многоуровневый и протяженный характер радиолокационного образа. При этом высокое разрешение созданного макета АРЛС позволяет не только сформировать качественное РЛИ автомобиля, но и получить вторичную информацию, например, о его размерах.

Таким образом, разработанный программный комплекс обработки РЛИ в реальном времени позволяет решить задачу создания банка данных о характеристиках рассеяния различных ОИП применительно к АРЛС и тем самым приступить к решению задачи идентификации ОИП.

Заключение

1. Проведены экспериментальные исследования характеристик сигнала рассеяния в АРЛС переднего обзора с ЧМ зондирующего сигнала. По результатам экспериментов проведен анализ полученных РЛИ типовых ситуаций, возникающих при движении транспортных средств по слабозагруженным загородным магистралям (двухполос-

ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005

ИННОВАЦИИ № 6 (83), 2005

Рис. 12

ным и однополосным), характерным для европейской части России.

2. Применительно к характерным для АРЛС условиям эксплуатации проведена оценка средних значений ЭПР типовых объектов естественного и искусственного происхождения: обочины дороги, лесных и кустарниковых массивов, металлических ограждений, автомобилей и др. Показано, что в условиях, характерных для систем ближней локации, ЭПР этих объектов на порядок превышают ЭПР объектов, измеренных в условиях свободного пространства, что необходимо принимать во внимание при проектировании систем радиовидения транспортных средств.

3. По результатам экспериментальных исследований можно отметить, что исследуемая АРЛС позволяет сформировать высокоинформативное РЛИ, обеспечивает «радиовидимость» дорожного полотна в диапазоне дальностей 3-150 м, а получаемые РЛИ могут быть эффективно использованы для управления движением транспортного средства в условиях ограничения или отсутствия оптической видимости.

4. В результате проведенных исследований РЛИ дорожного полотна и окружающей местности, формируемых на выходе АРЛС, показано, что данные РЛИ характеризуются высокими информационными свойствами, достаточными для надежного определения основных параметров дорожного полотна, таких как: его ширина

Рис. 11

(расстояние до левой и правой обочин), наличие поворотов, наличие ограждений, наличие или отсутствие препятствий движению и их параметры.

5. Разработана прикладная программа для ПЭВМ, которая позволяет исследовать пространственновременные распределения ЭПР для выявления существенных признаков лоцируемых объектов в реальном масштабе времени.

На базе данных исследований планируется синтезировать алгоритмы вторичной обработки радиолокационных изображений, позволяющие представить потребителю не только более информативное и удобное для адекватного восприятия радиолокационное изображение, но и сформировать оценки важнейших параметров траектории движения транспортного средства, его координаты и пространственное положение на дорожном полотне

и, в конечном итоге, создать систему «радиовидения» для безопасного движения наземного транспорта в условиях отсутствия оптической видимости.

Литература

1. В. М. Нуждин, Ю. О. Сулимов, Н. В. Сидоров, М. Ю. Ключарев, А. Е. Ананенков. Влияние переотражений от поверхности земли на формируемое автомобильной РЛС яркостное изображение. // Радиотехника, № 3, 2001 г.

2. В. М. Нуждин, Ю. О. Сулимов, Н. В. Сидоров, М. Ю. Ключарев, А. Е. Ананенков. Определение коэффициента передачи тракта автомобильного радиолокатора 8-мм диапазона по результатам натурных испытаний. // Радиотехника, № 3, 2001 г.

3. А. Е. Ананенков, А. В. Коновальцев, В. М. Нуждин, В. В. Расторгуев, Н. В. Сидоров, Ю. О. Сулимов. Исследование автомобильной РЛС переднего обзора с частотной модуляцией. Материалы 11-й международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» КрыМиКо-2001, Севастополь, ISBN 966-7968-00-6, 2001.

4. А. Е. Ананенков, А. В. Коновальцев, В. М. Нуждин, В. В. Расторгуев, Н. В. Сидоров, Ю. О. Сулимов. Система радиовидения ММ-диапазона как средство исследования объектов естественного и искусственного происхождения. //Электроника и информатика, № 4, 2002 г.

5. C. Thorp, T. Jochem, D. Pomerleau. Automated highways and the free agent demonstration. Report from Carnegi Mellon University, AHS grope (home page http://ahs.volpe.dot.gov).

6. R. Schneider, G. Wanielik, J. Wenger. Millimeter-wave imaging of traffic scenarios. Report from the Ulm research center of «DaimlerBenz».