СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА ПРИ РАДИОЛОКАЦИИ
METHOD OF DETECTING REFLECTED SIGNAL DURING RADAR LOCATION

Область техники
Изобретение относится к сверхширокополосной (СШП) радиолокации и может быть использовано для решения задач, требующих определения трехмерной формы объектов или определения положения объектов. Примером таких задач может быть: проведение досмотра, проведение медицинской диагностики, обнаружение вторжения в охраняемую область. Преимуществом данного подхода является: способность радиоволн проникать через одежду, неметаллические стены, тело человека, неплохая разрешающая способность (до сантиметра), возможность работать на отражении, когда все компоненты устройства находятся с одной стороны от исследуемого объекта (зрение через стены), безвредность волн для человека.
В задаче проведения досмотра становится возможным за несколько секунд обнаруживать под одеждой человека или в сумках скрытые предметы, при этом от человека не требуется каких либо специальных действий, а безвредность излучения позволяет использовать их на объектах для ежедневного досмотра.
В медицинской диагностике томограф на принципах сверхширокополосной радиотехники может использоваться как альтернатива или дополнение к ультразвуковой, рентгеновской или ЯМР томографии. Преимуществами СШП томографа является безвредность, сравнительно с ЯМР томографом низкая стоимость и другие контрастности, что позволяет его использовать для выявления онкологических новообразований.
Обнаружения вторжения в охраняемую область и отслеживания перемещения в ней - это еще одна задача, для решения которой может применяться предложенное изобретение. Эта задача состоит не столько в определении точной формы, как в двух предыдущих, сколько в обнаружении движения и приблизительном определении формы и размера объекта (различать человека, собаку, крысу).
Особенностью сверхширокополосной (СШП) радиолокации является использование коротких импульсных сигналов без заполнения несущей с характерной длительностью импульса 1 нс и менее. Пример импульса (моноцикл Гаусса) изображен на фиг.1 (поз.1).
Такие сигналы имеют очень широкий спектр, соизмеримый по порядку величины с рабочими частотами. Например, регулирующие органы США и России разрешают для гражданского применения системы со спектром излучения 3 ГГц-10 ГГц.
Основные преимущества технологии сверхширокополосной локации связаны с короткой длиной импульса. При распространении в пространстве импульс длительностью 100 пс имеет длину 3 см, что обеспечивает высокое пространственное разрешение. В случае радиолокации становится возможным различить сигналы, приходящие от объектов, если разница расстояний до них составляет несколько сантиметров; благодаря короткой длине импульса практически отсутствует «мертвая зона» около устройства.
Одной из наиболее перспективных областей применения данной технологии является «радиозрение» - определение трехмерной формы объекта при помощи зондирования его сверхширокополосными импульсами. В упрощенном варианте определяется форма поверхности объекта. Это может быть востребовано, например, для обнаружения оружия под одеждой. В более продвинутом варианте исследуется внутренняя структура объекта, например, делается томограмма человека с целью диагностики заболеваний.
Данная задача распадается на две значительные части - радиоэлектронную и алгоритмическую. Данная заявка раскрывает способ регистрации отраженного сигнала при радиолокации, то есть решает радиоэлектронную часть. Полезным результатом является запись отраженного сигнала в памяти, которая может быть использована для определения трехмерной формы объектов путем цифровой обработки этих данных, то есть для решения алгоритмической части задачи. Методы обработки данных и построения трехмерных изображений раскрыты в патентах US 5,668,555, US 8089396 и др. В части радиоэлектроники требуется сконструировать устройство, которое содержит определенное количество передатчиков и приемников, причем число передатчиков может отличаться от числа приемников. Точное количество передатчиков и приемников определяет специалист в алгоритмической обработке, исходя из требований по качеству изображения и требований по форме и размеру рабочей области, в пределах которой осуществляется определение трехмерной формы объекта.
Уровень техники
Известен способ радиозрения на принципах сверхширокополосной радиотехники US 5,668,555, в котором для записи отраженного сигнала используется способ, раскрытый в US 5,361,070.
Способ записи отраженного сигнала при радиолокации, раскрытый в этом патенте (US 5,361,070), реализуется с помощью задающего эталонного генератора (РМ generator 20), который определяет период излучения сверхширокополосных импульсов. Специальный блок содержит управляемые линии задержки перед каждым приемником и передатчиком (24 и 28), через которые проходит сигнал с эталонного генератора. Таким образом, задержка перед приемником (28) задает время излучения импульса относительно фронта эталонного генератора. Задержка перед приемником (26) задает момент захвата отраженного сигнала в устройстве выборки-хранения (УВХ) (40). За один излученный импульс делается один захват. Управляя задержкой перед приемником, осуществляют сканирование по дальности.
Основным недостатком данного подхода в применении к радиозрению является сложность использования его при наличии нескольких принимающих каналов.
Для задачи радиозрения опасность представляют и случайные флуктуации прохождения сигнала: так называемое фазовое дрожание (jitter) и медленный дрейф задержки, связанный с изменением температуры. В случае применения для досмотровой кабины или других применений с большой антенной решеткой требуется распределить сигнал на множество потребителей по кабелям длинной порядка метра. Это требует использования буферных усилителей выходных и входных, каждый из которых увеличивает фазовое дрожание и вносит дрейф задержки прохождения сигнала.
Кроме того, в изложенных патентах подразумевается захват только одной точки отраженного сигнала, что снижает темп работы устройства. Современные АЦП позволяют захватывать сотни миллионов отсчетов в секунду, в то время как частоту излучения зондирующих импульсов обычно делают существенно ниже 100 МГц, чтобы не накладывалось отражение одного импульса на другое.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в регистрации на принципах радиолокации несколькими разнесенными передатчиками и приемниками и сохранении в память набора цифровых данных, по которому путем компьютерной обработки можно восстановить трехмерную картину расположения объектов в некоторой области пространства.
Для получения изображения принципиально необходима либо запись сигнала во множестве точек, либо излучение из множества точек либо комбинация того и другого. Существует принципиальная возможность получения изображения устройством с одним передатчиком и приемником, при условии его механического перемещения через множество точек. Но данный вариант во многих случаях оказывается неприемлемо громоздок, а главное, перемещение и сканирование занимают длительное время. Уменьшить время можно путем одновременной записи сигнала в нескольких точках несколькими приемниками. Например, в случае досмотровой кабины целесообразно размещение 32-х приемников по вертикали и организация горизонтального механического перемещения приемников вокруг человека с записью отраженного сигнала через каждый градус. В результате использования 32-х приемников время записи уменьшается в 32 раза, становится возможным ограничиться механическим перемещением в одном измерении вместо двух, что упрощает конструкцию.
Чтобы воспользоваться одновременной записью несколькими приемниками, нужно обеспечить синхронизацию приемников с передатчиками в условиях их пространственного разнесения. Учитывая, что для получения практически востребованного разрешения порядка сантиметра требуется длительность импульса порядка 100 пс, точность синхронизации должна быть порядка 10 пс или лучше.
Поставленная задача решается тем, что в способе регистрации отраженного сигнала при радиолокации, заключающемся в том, что
- в одной или более точках пространства периодически излучают сверхширокополосные импульсы с помощью, по меньшей мере, одного передатчика по сигналу от, по меньшей мере, одного тактового генератора, соединенного с соответствующим передатчиком,
- в более чем одной точке пространства с помощью приемников захватывают электрические сигналы, записывают и сохраняют их в память,
- обрабатывают захваченные сигналы с помощью блока обработки,
согласно изобретению с помощью, по меньшей мере, одного приемника осуществляют захват мгновенных значений сигналов, в моменты, задаваемые соединенным с ним другим соответствующим тактовым генератором, с периодом захвата, отличным от периода излучения импульсов.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, состоит в устранении электрических цепей синхронизации между пространственно разнесенными передатчиками и приемниками или в снижении требований к ним по точности и стабильности вносимой временной задержки, что позволяет упростить устройство для реализации способа либо снизить погрешности сохраненных данных, вызванные не идеальной синхронизацией.
Достижению технического результата способствуют следующие частные случаи реализации изобретения.
Предпочтительно выбирают период Tr захвата сигналов и период Tt излучения импульсов таким образом, что Tr/Tt равно несократимой дроби M/N, где M и N - натуральные числа, и получают запись сигнала длительностью Tt с шагом дискретизации Tt/N путем перестановки в памяти любых N последовательных сохраненных в память значений захваченных сигналов, при которой значение сигнала с порядковым номером n в исходной последовательности сохраненных в память значений захваченных сигналов ставят на место с номером n·M%N в результирующей последовательности этих значений, где % - знак операции получения остатка от деления.
Кроме того, целесообразно использовать тактовые генераторы приемников, каждый из которых расположен в непосредственной близости от компонента соответствующего приемника, осуществляющего захват отраженного сигнала.
Кроме того, синхронизируют работу, по меньшей мере, части тактовых генераторов передатчиков с работой, по меньшей мере, части тактовых генераторов приемников путем синхронизации их с общим главным генератором.
При этом используют тактовые генераторы передатчиков и приемников, частота каждого из которых является кратной частоте главного генератора.
Кроме того, в захваченных сигналах идентифицируют импульс, прошедший напрямую от одного из передатчиков, анализируют, по меньшей мере, одно из значений, относящихся к этому импульсу, и формируют корректирующее воздействие на тактовый генератор приемника для его синхронизации с тактовым генератором этого передатчика.
При этом формирование корректирующего воздействия осуществляют с помощью пропорционально-интегрального регулятора, входным сигналом которого является значение, относящееся к импульсу, прошедшему напрямую, а невязкой является разность между реально захваченным значением и значением, которое должно быть захвачено при идеальной синхронизации тактовых генераторов.
Целесообразно подбирать периоды Tt и Tr таким образом, чтобы максимальный временной интервал без формирования корректирующего воздействия был Tr·N/2 или меньше.
Также возможен вариант, когда в захваченных сигналах идентифицируют импульс, прошедший напрямую от одного из передатчиков, по этому импульсу вычисляют параметры отклонения синхронизации тактовых генераторов соответствующих передатчика и приемника, и эти параметры используют для компенсации отклонения синхронизации.
Кроме того, для улучшения соотношения сигнал/шум записанных и сохраненных сигналов усредняют захваченные значения, временной интервал между моментами захвата которых равен или кратен Tr·N.
Возможен вариант, когда для улучшения соотношения сигнал/шум записанных и сохраненных сигналов усредняют значения захваченных сигналов, временной интервал между моментами захвата которых равен или кратен Tr·N, причем одно или несколько значений импульсов, прошедших напрямую от одного из передатчиков и использующихся для коррекции тактового генератора приемника, не подлежат усреднению.
Также можно использовать только один передатчик для излучения сверхширокополосных импульсов и осуществлять синхронизацию тактовых генераторов всех приемников с тактовым генератором этого передатчика.
Укажем основные порядки величин для типичной задачи. Основным применением данного изобретения предполагаются досмотровая кабина и радиотомограф медицинского назначения. Исходя из этого, будем считать, что требуется восстанавливать форму объекта с точностью в 1,5 см (для томографа нужно лучше, а для досмотровой кабины можно и хуже). Для сканирования объекта будем использовать импульсы в виде моноцикла гаусса (похоже на один период синусоиды) такие, что между максимумом положительной полуволны и максимумом (по амплитуде) отрицательной проходит 100 пс. Данный сигнал похож на один период синусоиды 5 ГГц, и основная мощность сигнала будет лежать в диапазоне от 1,5 ГГц до 9 ГГц. За 100 пс радиосигнал проходит 3 см, а значит, при радиолокации за счет удвоенного прохождения это будет соответствовать разнице дальностей 1,5 см, что и обеспечит требуемое разрешение.
Отраженный сигнал имеет те же характерные частоты, что и излученный, поэтому требуется преобразовывать его в цифровой вид с частотой дискретизации как минимум 20 ГГц. Столь высокие требования по частоте дискретизации, недоступные современным интегральным АЦП, создают серьезные препятствия по использованию данной технологии. Одной из задач, решаемых данным изобретением, является запись отраженного сигнала с требуемой частотой в десятки гигагерц при помощи существующих интегральных АЦП с частотой дискретизации в сотни мегагерц.
Дальность сканирования в случае досмотровой кабины составляет 1,5 м, то есть требуется получить сотни отсчетов по дальности.
Требуемое количество передатчиков и приемников сильно зависит от задачи и от подходов при решении алгоритмической части задачи. Идеальным вариантом является антенная решетка, соразмерная с наблюдаемым объектом и с шагом размещения передатчиков и приемников по обеим координатам по порядку величины, равным желаемому разрешению. Во многих случаях такое количество элементов решетки неприемлемо по экономическим соображениям. Например, в случае досмотровой кабины потребуется 1000-10000 элементов. В этом случае сочетают умеренное количество элементов (10-100) с их механическим перемещением.
Все значения выше приведены для упрощения понимания изобретения и демонстрации полезного результата, достигаемого с его помощью, и ни в коем случае не ограничивают область его применения. Изложенные принципы применимы и для решения других задач радиолокации с другими характерными величинами.
Перечень чертежей
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1(а, б) показан излучаемый СШП импульс, используемый в предложенном способе: (а) - идеальный импульс, (б) - реальный импульс, соответствующий записанному импульсу, прошедшему напрямую от передатчика к приемнику.
На фиг.2 приведена блок-схема наилучшего воплощения устройства для осуществления предложенного способа, реализующего коррекцию тактового генератора приемника по импульсу, прошедшему напрямую от приемника.
На фиг.3(а, б) приведена таблица, иллюстрирующая перестановку значений при записи в память с целью получения последовательной записи сигнала.
На фиг.4 приведен вариант блок-схемы альтернативного воплощения устройства для осуществления предложенного способа, использующего электрические сигналы для синхронизации тактового генератора приемника с передатчиком.
На фиг.5 приведен чертеж идеального излучаемого импульса, на котором указан интервал, пригодный для выработки корректирующего воздействия на генератор.
Описание осуществления изобретения
Особенностью сверхширокополосной радиолокации является использование коротких импульсных сигналов без заполнения несущей с характерной длительностью импульса 1 нс и менее. Примеры такого импульса приведены на фиг.1. Для расчетов и моделирования часто используется импульс, задаваемый функцией «моноцикл Гаусса» - первой производной от распределения Гаусса. Вид этой функции приведен на фиг.1(а). Масштаб не указан потому, что импульсы могут быть различной амплитуды и длительности. Реальный импульс отличается от идеального, пример реального импульса приведен на фиг.1(б). Рисунок реального импульса представляет собой фрагмент записанных данных, соответствующих прямому прохождению импульса от передатчика к приемнику. Большое деление по горизонтали соответствует 500 пс, то есть длительность импульса составляет около 200 пс.
Блок-схема устройства для наилучшего воплощения предложенного способа приведена на фиг.2. Ее отличительной особенностью является наличие собственного генератора у каждого передатчика и каждого приемника. Передатчик (9) представляет собой блок излучателя, который состоит из тактового генератора (1) цифрового периодического сигнала и соединенного с ним генератора (2) радиосигнала. Генератор (1) периодического сигнала выдает задающий цифровой сигнал (101) с частотой Ft, по активному фронту этого сигнала генератор (2) радиосигнала формирует импульс, и этот импульс излучается соединенной с ним антенной (3) в эфир. Поскольку сигнал излучается с периодом Tt=1/Ft, то и отраженный сигнал имеет такой же период, если пренебречь движением объектов относительно излучателей и приемников. Запись периода отраженного сигнала осуществляется за время порядка единиц и десятков микросекунд, поэтому можно считать все объекты неподвижными (и антенну тоже в случае механического сканирования).
В предпочтительном воплощении имеется несколько передатчиков (9), но для упрощения алгоритмов обработки в каждый момент времени работает только один из них. То есть активизируется один из передатчиков (9), производится запись периода отраженного сигнала и после этого активизируется другой передатчик (9). В предпочтительном воплощении для уменьшения количества излучателей и приемников они механически движутся вокруг объекта и производят сканирование объекта с различных позиций. Поэтому в предпочтительном воплощении цикл записи отраженного сигнала для каждого излучателя повторяется на новой позиции передатчиков и приемников.
Каждый приемник (29) состоит из антенны (25), последовательно соединенных с ней устройства выборки-хранения (УВХ) (22), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (23), цифрового блока (24) обработки и тактового генератора (21) периодического сигнала, также соединенного с УВХ (22). Генератор (21) периодического сигнала выдает задающий цифровой сигнал (202) с частотой Fr, по активному фронту этого сигнала УВХ (22) запоминает мгновенное значение радиосигнала (напряжения), поступающего на вход УВХ (22) с антенны (25). Данное мгновенное значение хранится в аналоговом виде в УВХ (22) до следующего фронта сигнала генератора (21), за это время аналоговое значение (203) с выхода УВХ (22) преобразуется АЦП (23) в цифровую форму и поступает в цифровой блок (24) обработки с последующим сохранением в память.
В предпочтительном воплощении используются генераторы (1) и (21), имеющие достаточно низкий фазовый шум с целью получения требуемого пространственного разрешения. Чтобы обеспечить низкий временной джиттер передатчика (9) и приемника (29), генератор (1) или (21) и управляемое им устройство располагаются по возможности ближе друг к другу, избегая промежуточных элементов, при этом применяются другие известные в электронике приемы для минимизации джиттера.
Цифровой блок (24) обработки накапливает в течение некоторого времени данные, приходящие с АЦП (23), и выполняя описанный ниже алгоритм, получает цифровую запись периода отраженного сигнала длительностью Tt=1/Ft. Полученная запись сигнала эквивалентна дискретизации периода с частотой Fd, равной наименьшему общему кратному Ft и Fr: Fd=HOK(Ft,Fr). При этом для накопления нужного количества отсчетов АЦП для записи всего периода требуется время, равное обратной величине от наибольшего общего делителя Ft и Fr.
Для того чтобы получить запись периода сигнала, не требуется какого-либо согласования двух генераторов (1) и (21) (передатчика и приемника) по фазе. Можно начать операцию записи периода в любой момент при произвольном сдвиге активного фронта генератора (1) передатчика относительно активного фронта генератора (21) приемника, - тем не менее, за указанное время период будет накоплен. Однако произвольность в моменте начала записи приводит к неопределенности начальной точки записанного сигнала. Записанный массив данных может начинаться с произвольной точки периода, а точнее он начинается с той точки, которая случайно будет захвачена на первом такте работы алгоритма.
Требуется получить запись сигнала во временной шкале, привязанной к условному моменту начала отраженного сигнала. В качестве такого момента выберем переход через ноль сигнала, прошедшего напрямую от передатчика (9) к приемнику (29), или еще точнее переход через ноль его части между положительным и отрицательным экстремумами (идеальный моноцикл Гаусса имеет только один переход через ноль, но реальный сигнал может иметь несколько).
Для этого в полученной записи периода сигнала методами цифровой обработки находятся точки, соответствующие прямому прохождению излученного импульса от передатчика (9) к приемнику (29), характеризующемуся максимальной амплитудой и известной формой импульса. Далее на интервале от положительного максимума до отрицательного максимума сигнала находится переход через ноль.
По позиции этого перехода через ноль в записанном образе сигнала определяется позиция условного начала отраженного сигнала в памяти. Это позволяет путем циклического сдвига записанного сигнала в памяти получить запись, начинающуюся с условного момента начала отраженного сигнала.
Блок (24) управления также выполняет функцию фазовой автоподстройки частоты генератора (21). Он определяет отклонение фазы генератора (21) приемника по сигналу прямого прохождения от передатчика (9) к приемнику (29) и производит коррекцию, управляя генератором (21) при помощи сигнала (201). Это позволяет обеспечить строгое соответствие заданного соотношения частот передатчика (9) и приемника (29) и минимизировать погрешности, вызванные фазовым шумом генераторов.
Выбор частот в упрощенном воплощении
Частоты Ft и Fr выбирают, исходя из требований к конкретному воплощению. В упрощенном варианте частоты выбираются следующим образом. В качестве исходных данных задаются: максимальная дальность обзора, максимальная частота работы УВХ (22) и АЦП (23), требуемый шаг по времени, с которым требуется записать отраженный сигнал.
Сначала определяют требуемый шаг по времени, исходя из требований по разрешающей способности устройства и особенностей алгоритма восстановления трехмерной формы объекта.
Частоту Fr выбирают по возможности настолько большой, насколько позволяют выбранные УВХ (22), АЦП (23) и цифровой блок (24). При этом выбирается такая частота, чтобы ее период Tr=1/Ft был кратен требуемому шагу Ts по времени: Tr=n·Ts. Поскольку Ts обычно задается менее 100 пс, а Tr - это в лучшем случае единицы наносекунд, требование кратности не накладывает существенных ограничений на Tr.
Частота Ft выбирается по двум критериям. Первый: время распространения радиосигнала до максимальной дальности и обратно должно быть меньше, чем период этой частоты. Второй: отраженный сигнал от предыдущего импульса должен затухнуть, то есть возвращаться с пренебрежимо малой амплитудой к тому времени, когда идет захват от очередного импульса. В большинстве случаев второй критерий более жесткий. Например, в случае досмотровой кабины максимальная дальность соответствует максимальной дальности до сканируемого объекта, а достаточно сильное отражение может прийти от противоположной стенки кабины, поэтому период следования импульсов выбирается в несколько раз больше, чем время распространения сигнала до сканируемого объекта и обратно. Пусть частота излучаемых импульсов выбрана, обозначим ее период Tt=1/Ft. Немного скорректируем Tt или Tr так, чтобы Tt=k·Tr-Ts, при целом k. Смысл k - приблизительное количество отсчетов УВХ (22) за период излучения импульсов. Благодаря члену Ts в этой формуле в следующем периоде все k отсчетов делаются на Ts раньше. Таким образом реализуется принцип стробоскопа, когда за один излученный импульс делается К отсчетов с разных дальностей. За n циклов устройство захватывает весь период Tt с шагом Ts.
Алгоритм работы цифрового блока при записи периода отраженного сигнала
Рассмотрим алгоритм работы цифрового блока (24) более детально.
Предполагается, что передатчик (9) излучает импульсы с периодом Tt, а в приемнике (29) АЦП (23) захватывает отраженный сигнал с частотой Tr. При этом отношение Tr/Tt может быть представлено в виде несократимой дроби M/N, где M и N - натуральные числа. Требуется, получая отсчеты с АЦП за время Tr·N, получить запись периода Tt отраженного сигнала, содержащего N отсчетов. Это будет эквивалентно аналого-цифровому преобразованию с шагом по времени Tt/N.
Алгоритм состоит из двух частей: части сбора данных и части обработки данных.
Целью части сбора данных является получить цифровую запись сигнала длительностью Tt с шагом дискретизации Tt/N, а в терминах программирования выдать для последующей обработки массив чисел R[0…N-1], содержащих цифровую запись периода отраженного сигнала. При этом допускается, чтобы запись начиналась с произвольного места периода. Поскольку время записи равно периоду сигнала, то период записывается целиком независимо от момента начала.
Алгоритм работы первой части таков. В некоторый момент времени инициируется запись сигнала. Первое после этого момента значение, пришедшее с АЦП (23), записывается в ячейку 0. Начиная со следующей, номер ячейки вычисляется из номера предыдущей по формуле: номер ячейки для записи значения равен остатку от деления на N суммы М и номера ячейки, в которую была произведена запись предыдущего значения. Эта процедура вычисления следующего номера ячейки из предыдущего повторяется N-1 раз. Или, другими словами, отсчет номер n после начала записи помещается в ячейку n·M%N, где % - знак операции получения остатка от деления.
В результате массив заполняется полностью N отсчетами АЦП (23).
На фиг.3a изображена таблица, иллюстрирующая последовательность захвата периода сигнала при M=5 и N=11. В верхней строчке указан номер ячейки массива R, в нижней - номер шага алгоритма, на котором эта ячейка заполняется. Данная таблица приведена исключительно с целью иллюстрации работы алгоритма. Типичные воплощения используют сотни и тысячи стробов по дальности, однако таблицу с таким количеством столбцов невозможно изобразить в иллюстрации. Поэтому для иллюстрации приведен пример с 11 стробами по дальности, что практически крайне маловероятно.
Как может увидеть специалист, в результате работы этой части алгоритма в массиве будет именно запись периода сигнала, эквивалентная частоте дискретизации Ft·N. Или формально пусть элемент ноль захвачен в момент t0, тогда R[i]=U(t0+i·Ts), где U(t) - это периодический отраженный сигнал.
Вторая часть алгоритма - обработка данных, которая обеспечивает, чтобы в начало массива - элемент R[0] попало условное начало сигнала.
При прямолинейном подходе используется блок-схема, изображенная на фиг.4, в которой каждый приемник (29) содержит фазовый детектор (26), на который подаются цифровой сигнал от задающего генератора (1) передатчика (того, который в данный момент излучает) и задающего генератора этого приемника (21). Если активные фронты обоих сигналов приходят одновременно, фазовый детектор (26) генерирует логический сигнал (206), по которому начинает работу описанный алгоритм цифрового блока (24), и значение, захваченное УВХ (22) по данному фронту, попадет в ячейку R[0]. Поскольку по активному фронту задающего генератора (1) передатчика излучается в эфир зондирующий импульс, то в R[0] попадет сигнал, соответствующий самому началу излучения импульса в эфир. Это именно то, что требуется.
Однако прямолинейный подход крайне сложно реализовать с учетом того факта, что ошибка по времени должна быть существенно меньше длительности импульса, а длительность импульса по порядку величины составляет сотню пикосекунд. Таким образом, фазовый детектор (26) должен иметь и случайную, и систематическую погрешность менее 10 пс. Ситуация усложняется тем, что время распространения задающего сигнала передатчика (9) до фазового детектора (26) гарантированно во много раз превосходит эту величину, задержка на любом активном элементе при современном уровне техники (например, согласующем буфере, выдающем сигнал на кабель) также в несколько раз больше требуемых 10 пс. Таким образом, становится неизбежной калибровка системы, когда все эти задержки тем или иным способом учитываются и компенсируются. Данные задержки будут меняться от одного экземпляра устройства к другому, поэтому операция калибровки потребуется для каждого экземпляра устройства. В случае если в устройстве используется более одного передатчика (9), то встает задача построения мультиплексора, который пропускает на вход фазового детектора (26) задающий сигнал с того передатчика (9), который в данный момент излучает импульсы, это свою очередь вносит дополнительные погрешности по времени. Наконец, возникает задача компенсации теплового дрейфа активных элементов.
В предпочтительном воплощении, чтобы избежать описанных проблем, данный фазовый детектор (26) не используется вовсе. Приемник (29) начинает исполнение алгоритма в любой момент, когда потребуется, и период принимаемого сигнала фиксируется в массиве R. Далее используется тот факт, что в приемник (29) помимо отраженного сигнала проходит сигнал, прошедший напрямую от одного из передатчиков (9). Форма этого сигнала известна, прямой сигнал обычно значительно мощнее отраженного, поэтому он может быть идентифицирован в массиве R.
После части сбора данных накопления идет часть алгоритма, обрабатывающая сигнал. Эта часть получает на вход массив R, полученный как результат работы части накопления. В массиве R цифровыми методами обработки сигнала обнаруживается прямой сигнал и определяет номер ячейки sr, в которую попала некоторая условная точка, выбранная за начало сигнала. В предпочтительном воплощении такой условной точкой начала сигнала считается переход через ноль между двумя максимумами (положительным и отрицательным) импульса, прошедшего напрямую.
После того как становится известным номер sr, производится циклический сдвиг массива R на sr, то есть каждая ячейка i переписывается в ячейку с номером i-sr. Здесь и при операциях с номером ячейки массива R используется арифметика по модулю N, то есть если при вычитании получается отрицательное число, то к результату прибавляется N. Таким образом, ячейка, захватившая условное начало сигнала, попадает в ячейку R[0], сигнал который был в массиве до ячейки sr попадает в конец массива. Это соответствует задачам алгоритма, потому что сигнал до начала излучения импульса - это конец отраженного сигнала от предыдущего импульса. В результате получается искомый массив R, содержащий запись периода принимаемого сигнала, начинающийся в R[0] с начала излучения импульса передатчиком.
Если рассматривать алгоритм более строго, то в результате выполнения вышеизложенного алгоритма в ячейку R[0] попадает некоторая точка, удаленная от условного момента начала сигнала не более чем Ts/2, обозначим это отклонение как dTa. С точки зрения алгоритма обработки это выглядит, как если бы все точки ответного сигнала записаны в моменты с одинаковым отклонением dTa от номинального. Худший случай это, например, когда все точки захвачены на Ts/2 ранее номинальных значений, что может ухудшить качество работы алгоритма восстановления трехмерной картины.
Эта ситуация проиллюстрирована на фиг.1. Сверху от оси времени отмечены вертикальными линиями (3) требуемые моменты захвата сигнала. Снизу от оси времени вертикальными линиями (4) показаны моменты, когда сигнал был реально захвачен. На фиг.1 изображен худший вариант, когда отклонение моментов захвата dTa максимально и составляет половину от Ts. В предпочтительном воплощении используется принцип пропорционально-интегрального регулятора для приведения отклонения dTa к нулю с требуемой точностью. Для этого в качестве тактового генератора (21) приемника используется кварцевый генератор, управляемый напряжением, с небольшим диапазоном регулировки (50 миллионных в предпочтительном воплощении). Регулятор, реализованный в виде алгоритма, исполняемого блоком (24), подает на этот генератор (21) управляющее воздействие (напряжение) с целью приведения dTa к нулю. Для определения невязки (в терминах систем автоматического управления) выбирается ячейка R[j] такая, что в нее попадает импульс, прошедший напрямую, и в этой точке производная сигнала не равна нулю. В качестве невязки используется разность между значением в R[j] и значением, которое должно быть захвачено при идеальной синхронизации тактовых генераторов (1) и (21). В предпочтительном воплощении выбирается ячейка R[0], в которую должен попадать переход через ноль между двумя максимумами (положительным и отрицательным) сигнала прямого прохождения, и в качестве значения, требуемого при идеальной синхронизации, выбирается ноль. То есть задачей контура управления является поддержание нуля в ячейке R[0], или, что то же самое, удерживание момента захвата ячейки ноль совпадающим с моментом перехода через ноль сигнала между двумя максимумами сигнала.
В отсутствие данного контура управления dTa не только не будет равна нулю, но и будет линейно возрастать со временем, и скорость изменения будет пропорциональна отклонению частот генераторов от номинальной. Раскрытый способ на основе пропорционально-интегрального регулятора не только удерживает dTa около нуля, но и обеспечивает поддержание соотношения частот Tr/Tt как M/N. Отклонение частоты генератора передатчика от требуемого Ft·N/M будет проявляться в медленном дрейфе dTa со временем. Этот дрейф обнаружится регулятором и ликвидируется путем коррекции частоты тактового генератора (21) приемника.
Использование пропорционально-интегрального регулятора для формирования корректирующего воздействия на тактовый генератор (21) приемника для его синхронизации с тактовым генератором (1) этого передатчика не является обязательным в раскрываемом изобретении. Специалист, владеющий современным уровнем техники в области систем автоматического управления, может выбрать и другой способ формирования корректирующего воздействия.
Преимущества синхронизации по эфиру
Для синхронизации используется тот же самый канал, что и для полезного сигнала, поэтому большинство погрешностей компенсируются. Например, генератор радиочастотного сигнала (2) на фиг.2 выдает сигнал с некоторой задержкой относительно активного фронта сигнала задающего цифрового генератора (1), эта задержка является индивидуальной для каждого генератора и может меняться со временем, например, при разогреве устройства. В данной схеме эта задержка компенсируется, и ее медленные изменения не ухудшают работу схемы.
Не требуется специального тракта синхронизации, устройство упрощается и удешевляется. Тракт передатчика (9) и приемника (29) предназначен для работы с сигналами полосой порядка 10 ГГц, такой тракт имеет высокие характеристики, в том числе и по флуктуациям задержки распространения сигнала, однако это обеспечивается дорогостоящими компонентами и дорогим проектированием. Именно этот тракт является самим дорогим компонентом устройства. Чтобы создать цепь синхронизации с такими же характеристиками, потребуется приложить такие же усилия, что может привести практически к удвоению цены устройства.
Поскольку и для синхронизации, и для приема полезного сигнала используется один и тот же тракт, то величина случайной погрешности одинаковая. Случайная погрешность, в отличие от систематической, не компенсируется. Однако в этом случае улучшение единственного тракта приводит к улучшению и синхронизации и приема сигнала. В случае прямолинейной реализации было бы два тракта, и точность системы определялась бы характеристиками худшего из них.
Система содержит встроенную систему автоподстройки частоты, которая удерживает требуемое соотношение частот Fr/Ft=M/N, не требуется никаких дополнительных схем.
В результате получается, что между передатчиком (9) и приемником (29) не требуется никаких проводов, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию. Если используется один передатчик (9), от него требуется только периодически излучать сигнал все время проведения сканирования. Приемники (29) должны провести по циклу измерений для каждой позиции и передать данные на устройство обработки данных. При этом приемники (29) должны синхронизировать циклы сбора данных с движением механики, а поскольку движение происходит сравнительно медленно, то для этой синхронизации могут использоваться обыкновенные цифровые сигналы. В результате между блоками не требуется проводить специальные провода синхронизации, а требуется обеспечить только провод для обмена данными, при этом могут использоваться стандартные цифровые интерфейсы, такие как RS-485, USB, Ethernet. Возможно, также, использовать интерфейсы беспроводной передачи данных, например WiFi, что позволяет проводить многопозиционную радиолокацию. Такая возможность вряд ли востребована в основной области применения данного изобретения - досмотровых кабинах, однако может оказаться крайне ценной во множестве других применениях радиозрения и СШП радиолокации. Очень важно, что для связи удаленных устройств можно использовать стандартные как проводные, так и беспроводные интерфейсы, а не специальную СШП связь, как предлагается в серии патентов.
Когерентное накопление
В простейшем случае при заданной позиции передатчика (9) и приемников (29) требуется провести только один цикл описанного алгоритма работы цифрового блока. При этом требуется обеспечить достаточную мощность передатчика (9) для обеспечения заданного отношения сигнал/шум отраженного сигнала. Однако во многих случаях целесообразно провести несколько циклов записи периода отраженного сигнала и сложить соответствующие значения массива R, данная операция представляет собой когерентное накопление отраженного сигнала. Эта операция улучшает соотношение сигнал/шум, что позволяет уменьшить мощность излучаемого генератора.
Существует несколько причин, по которым это может быть желательно.
Санитарные нормы рассчитывались для непрерывного излучения. Краткие мощные импульсы электромагнитного излучения в данном диапазоне частот практически не встречаются в природе, их воздействие малоисследованно. И хотя нет данных о вреде коротких импульсов при условиях их соответствия санитарным нормам, тем не менее, видимо, желательно избежать их, если это возможно.
С точки зрения электромагнитной совместимости обычно предпочтительнее множество слабых импульсов.
Мощные импульсы могут оказывать негативное воздействие на электронику устройства.
Мощный сигнал передатчика (9) может перегружать приемник (29) и выводить его из штатного режима.
При этом с теоретической точки зрения оба подходы эквивалентны, одинаковая энергия одного мощного импульса и серии слабых обеспечат один и тот же сигнал/шум при обоих подходах.
Когерентное накопление сигнала осуществляется путем требуемого количества повторов выполнения описанного выше алгоритма работы цифрового блока. Соответствующие ячейки массива R суммируются, и массив сумм выдается для обработки алгоритму восстановления трехмерной картины.
При этом контур управления, обеспечивающий удержание синхронизации генераторов, функционирует в каждом цикле записи отраженного сигнала, то есть использует значения до операции усреднения, что позволяет производить коррекцию генераторов, как раньше, один раз за Tr·N. Это возможно, если после уменьшения мощности передатчика (9) прямой сигнал, тем не менее, возможно идентифицировать в приемнике (29). Поскольку прямой сигнал обычно в несколько десятков раз сильнее отраженного, это условие, как правило, выполняется.
Прореживание сигнала
0
Рассмотрим требования к точности генераторов (1) и (21), необходимые для корректного функционирования алгоритма. Согласно данному алгоритму при идеальных элементах схемы приемника (29) (в первую очередь при идеальных генераторах (21)) R[i]=U(t+i·Ts). В реальной схеме за время работы алгоритма Tr·N фаза обоих генераторов отклонится от номинального значения. То есть последний импульс излучается передатчиком (9) с отклонением dTt от номинального момента времени, а последний отсчет захватывается УВХ (22) с отклонением dTr от номинального. Поскольку требуется обеспечить точное время захвата сигнала относительно момента излучения импульса, то погрешность определяется разностью dTr минус dTt. Разность dTt и dTr - это случайная величина, требуется, чтобы ее функция распределения удовлетворяла требованиям, предъявляемым конкретными воплощениями. В конкретном случае специалист в алгоритмах обработки информации определяет требования к статистике этой величины, а специалист радиоинженер способен рассчитать и измерить эту величину для заданных типов генераторов. Обычно отклонение фазы генератора считается имеющим гауссово распределение и описывается двумя параметрами - смещением и дисперсией. А для успешной работы алгоритма определения трехмерной формы объекта обычно требуется, чтобы оба параметра были в несколько раз меньше, чем требуемый шаг по времени Ts.
Смещение случайной величины dTr определяется отклонением частоты генератора от номинальной - в случае свободного генератора такое отклонение неизбежно. Поскольку в предпочтительном воплощении функционирует система автоподстройки частоты Fr к Ft, то эти частоты удерживаются в правильном соотношении и смещение разности dTr-dTt равно нулю.
Величины dTr и dTt представляют собой отклонение реальной длительности N периодов от идеальной N·Tr в случае приемника и M·Tt в случае передатчика. Дисперсия данной случайной величины называется накопленным джиттером. Известно, что у генератора, не корректируемого цепью обратной связи, он увеличивается как корень из n, где n - количество периодов между исследуемыми фронтами. Поскольку генератор (21) приемника (29) привязан автоподстройкой частоты к передатчику (9), то при длительном функционировании дисперсия dTr определяется свойствами генератора (21) и системы автоподстройки частоты. В изложенном выше алгоритме корректирующее воздействие подается раз в цикл работы алгоритма, то есть в течение интервала длительностью в один цикл работы алгоритма коррекции не производится, и накопленный джиттер растет по закону корень из n, как у генератора без цепи обратной связи. Это накладывает ограничение на уменьшение шага Ts. Уменьшение шага Ts, с одной стороны, усиливает требования к накопленному джиттеру. С другой стороны, уменьшение шага Ts приводит к увеличению длительности цикла записи отраженного сигнала Tt/Ts·Tr и таким образом увеличивают накопленный джиттер. В результате уменьшение шага Ts серьезно увеличивает требования к характеристикам генераторов (1), (21). Чтобы обеспечить работу системы при более малых значениях шага Ts, в предпочтительном воплощении реализовано следующее усовершенствование.
Для работы системы фазовой автоподстройки желательно, чтобы данные об отклонении фазы приходили как можно чаще, это позволяет удержать отклонения фазы на более низком уровне. Чтобы это обеспечить, используется тот факт, что для работы раскрытого метода удержания синхронизации годится любая точка сигнала прямого прохождения с хорошим отношением сигнал/шум, с производной, не равной нулю. При этом M и N подбираются так, чтобы операции коррекции распределялись равномерно по циклу записи сигнала, и интервал между коррекциями был минимален.
В частности значения M и N могут быть подобраны так, чтобы N значений массива R собирались за L проходов, то есть L раз собирался сигнал, прореженный (децимация) в L раз, при этом с каждым проходом собирались новые точки. Величина L подбирается так, чтобы за каждый проход захватывалась как минимум одна точка, по которой можно провести коррекцию. То есть величина L оказывается близкой к длине сигнала прямого прохождения; длина фрагмента измеряется в количестве шагов Ts, помещающихся в него.
На фиг.5 изображен пример типичного сигнала, излучаемого передатчиком (9), для определения отклонения фазы генераторов (1) и (21) можно использовать часть сигнала между вертикальными линиями 4. Таким образом, за каждый проход захватывается как минимум одна точка с большой амплитудой и производной. Чтобы подобрать M и N, соответствующие этому требованию, можно использовать метод, описанный выше в разделе «Выбор частот в упрощенном воплощении», но при этом подобрать значения так, чтобы выполнялось условие Tt=k·Tr-L·Ts и чтобы k·Tr/L·Ts не было целым числом.
На фиг.3b изображена таблица, иллюстрирующая последовательность захвата периода сигнала при N=10 и M=17, L=3. В верхней строчке указан номер ячейки массива R, в нижней - номер шага алгоритма, на котором эта ячейка заполняется.
На данном примере видно, что пять последовательных захватов сигнала покрывают период с интервалом между захваченными точками 2-3 Ts. Таким образом, если область, содержащая фрагмент прямого прохождения сигнала, по которой возможно измерение отклонения фазы, составляет 4Ts, то корректировка генератора (21) будет осуществляться раз в 5 тактов.
Данная таблица приведена исключительно с целью проиллюстрировать работу алгоритма. Типичные воплощения используют сотни и тысячи стробов по дальности, однако таблицу с таким количеством столбцов невозможно изобразить в иллюстрации. Поэтому для иллюстрации приведен пример с 17 стробами по дальности, что практически крайне маловероятно.
Специалист может подбирать N и M и по-другому.
Другие воплощения изобретения
В наилучшем воплощении для синхронизации передатчика (9) и приемника (29) используется исключительно сигнал прямого прохождения. Однако для дальнейшего уменьшения дисперсии dTt-dTr можно использовать синхронизацию генераторов (9) и (29) передатчика и приемника по общему эталонному генератору системы. Специальная схема синхронизации в приемнике (9) принимает на вход сигнал с данного эталонного генератора системы и управляет генератором (21) приемника с целью минимизировать накопленный джиттер. Аналогичная схема используется и в передатчике (9). Как это известно из радиотехники, такая «привязка» двух генераторов к одному общему позволяет значительно улучшить дисперсию отклонения фазы одного из двух ведомых генераторов относительно фазы другого.
В данном воплощении удержание соотношения частот генераторов (1) и (21) передатчика и приемника, а также уменьшение дисперсии dTt-dTr осуществляется проводной системой. А сведение погрешности dTa к нулю и поиск сигнала в массиве R осуществляется при помощи сигнала прямого прохождения, как это описано в наилучшем воплощении.
Для упрощения схемы в качестве частоты эталонного генератора используется частота, равная наибольшему общему делителю тактовых частот передатчика и приемника.
В качестве эталонного генератора может использоваться генератор любого элемента передатчика или приемника. Это может оказаться особенно эффективно в воплощении, включающем только один передатчик (приемник), в этом случае его целесообразно сделать эталонном генератором для остальных приемников (передатчиков).
Альтернативное воплощение
В альтернативном воплощении погрешность dTa определяется раскрытым ранее способом путем идентификации в принимаемом сигнале импульса, прошедшего напрямую от передатчика (9). В отличие от предпочтительного воплощения эта погрешность устраняется при помощи интерполяции перед математической обработкой полученного массива R. Формулируя задачу математически, зная значения сигнала в моменты t(n)=Ts·n+dTa, вычисляют значения сигнала в моменты t(n)=Ts·n. Методы вычисления хорошо известны в математике и применимы, если период Ts существенно меньше периода максимальной частоты сигнала. Последнее условие необходимо не только для интерполяции, но и для последующей математической обработки, поэтому оно обеспечивается соответствующим подбором параметров Tr, Tr, N, M.
То есть в данном воплощении отклонение синхронизации генераторов не устраняется, а компенсируется при помощи дополнительного шага компьютерной обработки после накопления данных в памяти и до их обработки с целью получения изображения.
Альтернативное воплощение
В другом альтернативном воплощении синхронизация генераторов (1) и (21) передатчика и приемника осуществляется путем их синхронизации с общим главным генератором, сигнал от которого поступает по проводам. Синхронизация по проводам используется для минимизации относительного фазового шума генераторов (1) и (21) передатчика и приемника и строгого удержания требуемого соотношения частот. Обнаружение импульса прямого прохождения используется для обеспечения попадания условного начала сигнала в ячейку R[0] массива, передаваемого на математическую обработку. Для этого используется циклический сдвиг массива R, раскрытый в описании предпочтительного воплощения. Погрешность dTa, упомянутая в описании предпочтительного воплощения, игнорируется, для чего эквивалентный шаг дискретизации TVN делается достаточно малым, чтобы погрешностью по времени Tt/N/2 можно было пренебречь.