Рейтинг@Mail.ru




Разработка методов моделирования сложных систем радиовидения малого радиуса действия


Радиовидение — метод интроскопии, позволяющий с помощью радиоволн визуально изучать внутреннее строение объектов, непрозрачных в оптическом диапазоне волн и наблюдать объекты, находящиеся в оптически непрозрачной среде. Актуальность исследования связана с постепенным расширением списка прикладных областей, где становятся востребованными системы радиовидения, и, соответственно, ростом интереса к ним.

Проект направлен на разработку комплекса математических методов, моделей и программ для моделирования сложных систем радиовидения малой дальности. Результаты, полученные при выполнении проекта, помогут выбрать при проектировании системы радиовидения такие ее параметры (конфигурацию антенной системы, частотный диапазон, геометрию зондирования и пр.), которые обеспечат максимально возможные показатели качества системы при решении конкретной задачи в рамках, определяемых предельной стоимостью системы.

Научная новизна проекта заключается в использовании при моделировании систем радиовидения малого радиуса действия моделей пространственно-протяженных объектов сложной формы, близких к реальным, в отличие в существующего в настоящее время подхода, когда зондируемый объект представляет собой набор точечных рассеивателей. При проектировании систем радиовидения необходимо оперативно перебирать различные варианты построения системы и сравнивать получающиеся радиоизображения между собой для выбора оптимального варианта. Этим и объясняется использование в качестве объекта набора точечных рассеивателей, позволяющих быстро рассчитать рассеянное поле, в то время как на точный численный расчет поля, рассеянного объектом, близким к реальному, может потребоваться несколько часов и даже дней.

Предварительные исследования авторов заявляемого проекта показали, что реальные возможности системы радиовидения по обнаружению и распознаванию объектов могут весьма сильно отличаться в худшую сторону от характеристик, полученных при моделировании с использованием точечных рассеивателей. Поэтому в рамках данного проекта планируется разработать упрощенную модель зондируемого пространственно-протяженного объекта и упрощенные методы моделирования рассеянного им поля, которые ценой некоторой потери точности вычислений позволят производить оперативные расчеты и получать при этом расчетные характеристики системы радиовидения, близкие к реальным.

Аннотация отчета за 2020 год:

Первый этап проекта посвящен феноменологической модели пространственно-протяженных объектов, предназначенной для моделирования систем радиовидения. Разработана двухэтапная процедура получения модели объекта в виде массива плотно расположенных точечных рассеивателей. На первом этапе поверхность реального тела аппроксимируется совокупностью однотипных и пристыкованных друг к другу плоских треугольных элементов — фацетов. На втором этапе для каждого фацета в плоскости его расположения формируется двумерная сетка с достаточно мелким шагом, выбираются узлы сетки, лежащих внутри фацета, и их координаты добавляются в массив точечных рассеивателей, в результате после обработки всех фацетов имеется точечная модель всего объекта.

При таком подходе моделирование радиоголограммы осуществляется следующим образом. Если объект характеризуется его функцией отражения, то есть разные части объекта могут иметь разные коэффициенты отражения, то комплексную амплитуду сигнала, зарегистрированного приемным элементом, расположенным в некоторой точке, при облучении объекта передающим элементом, расположенным в другой точке, можно представить в виде суперпозиции отражений от каждой точки объекта с учетом задержки электромагнитной волны при ее распространении от передающего элемента до этой точки и обратно до приемного элемента, при этом происходит суммирование по всем рассеивателям.

Предложенный подход реализован в виде комплекса алгоритмов, позволяющих по трехмерной модели зондируемого объекта, созданной в Autodesk 3ds Max, рассчитать радиоголограмму этого объекта для заданных параметров системы радиовидения.

Адекватность разработанной модели представления поверхности объектов плотным набором точечных рассеивателей проверена путем сравнения с результатами экспериментов. Для этого радиоголограммы одних и тех же объектов были сначала получены путем моделирования, а потом экспериментально. Результаты моделирования показали хорошее соответствие экспериментальным данным, что подтверждает возможность использования предложенной модели для экспертной оценки различных конфигураций систем радиовидения при их проектировании.

Для автоматической оценки качества получаемых радиоизображений необходимо иметь некоторый критерий, который можно выразить в числовом виде. Предложено использовать в качестве мера качества интеграл от модуля восстановленного радиоизображения, нормированного на максимальное значение, который тем меньше, чем выше качество радиоизображения.

С использованием данного критерия разработана программа для оптимизации расположения передающих и приемных антенных элементов в антенной системе для получения радиоизображений максимально возможного качества при заданном количестве антенных элементов.

Сверх первоначального плана разработан и программно реализован метод калибровки антенно-фидерных трактов системы радиовидения, заключающийся в измерении и компенсации набегов фазы в фидерах, с помощью которых антенные элементы подключаются с передатчику и приемнику.

Материал, в научно-популярной форме иллюстрирующий основные результаты проекта, полученные в 2020 году

Публикации по проекту:

  1. Разевиг В.В., Бугаев А.С., Журавлев А.В., Чиж М.А. Калибровка антенно-фидерного тракта систем радиовидения // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. T. 74. № 7. С. 25–37. DOI: 10.18127/j20700784-202007-03


© RSLab, 1999-2020 Тел.: (499) 263-6509, (495) 632-2219
Моб.: 8-903-687-2291
E-mail: sivashov@rslab.ru