Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона

Кратко изложены результаты исследований и разработок в области шумовой радарной технологии, выполненных в отделе нелинейной динамики электронных систем. Описаны генераторы хаотических сигналов мм диапазона, используемые в передатчиках шумовых радаров, широкополосных корреляционных приемниках, а такж...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Author:	Лукин, К.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2008
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10784
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона / К.А. Лукин // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 344-358. — Бібліогр.: 38 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859664736763772928
author	Лукин, К.А.
author_facet	Лукин, К.А.
citation_txt	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона / К.А. Лукин // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 344-358. — Бібліогр.: 38 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Кратко изложены результаты исследований и разработок в области шумовой радарной технологии, выполненных в отделе нелинейной динамики электронных систем. Описаны генераторы хаотических сигналов мм диапазона, используемые в передатчиках шумовых радаров, широкополосных корреляционных приемниках, а также шумовые радарные системы различного назначения: радар предупреждения столкновений, шумовой когерентно-импульсный радар, наземный шумовой радар с синтезированием апертуры (РСА) и др. Получены когерентные РСА изображения с высоким разрешением, достигнута высокая точность и стабильность измерения малых сдвигов на поверхности облучаемых объектов. Показана возможность мониторинга больших зданий с целью регистрации их структурных изменений. Стисло викладено результати досліджень і розробок в області шумової радарної технології, виконаних у відділі нелінійної динаміки електронних систем. Описано генератори хаотичних сигналів мм діапазону, що використовуються у передавачах шумових радарів і широкосмугових кореляційних приймачах, а також шумові радарні системи різного призначення: радар попередження зіткнень, шумовий когерентно-імпульсний радар, наземний шумовий радар із синтезом апертури (РСА) та ін. Одержано когерентні РСА зображення з високим розрізненням, досягнута висока точність і стабільність вимірювання малих зміщень на поверхні опромінюваних об'єктів. Показано можливість моніторингу великих будівель з метою реєстрації їх структурних змін. Main results of research and development on noise radar technology carried out in the Laboratory for Nonlinear Dynamics of Electron Systems are briefly described. Millimeter wave generators of chaos used in the noise radar transmitters and fast correlation receivers are described. Various noise radars are briefly described, such as: car collision warning radar, pulse-coherent noise radar, ground based noise waveform (GB NW) SAR, etc. High resolution SAR images have been obtained and high accuracy and stability of detection of small shifts in the surface of monitored objects. Applicability of GB NW SAR to monitoring of large buildings aiming detection of structural changes has been approved.
first_indexed	2025-11-30T10:05:34Z
format	Article
fulltext	__________ ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 13, спец. вып., 2008, с. 344-358 ИРЭ НАН Украины, 2008 УДК 534.322.3:621.396.96 ШУМОВАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА К. А. Лукин Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины, 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: LNDES@kharkov.com Кратко изложены результаты исследований и разработок в области шумовой радарной технологии, выполненных в отде- ле нелинейной динамики электронных систем. Описаны генераторы хаотических сигналов мм диапазона, используемые в передат- чиках шумовых радаров, широкополосных корреляционных приемниках, а также шумовые радарные системы различного назначе- ния: радар предупреждения столкновений, шумовой когерентно-импульсный радар, наземный шумовой радар с синтезированием апертуры (РСА) и др. Получены когерентные РСА изображения с высоким разрешением, достигнута высокая точность и стабиль- ность измерения малых сдвигов на поверхности облучаемых объектов. Показана возможность мониторинга больших зданий с це- лью регистрации их структурных изменений. Ил. 14. Табл. 1. Библиогр.: 37 назв. Ключевые слова: динамический хаос, шумовая радиолокация, мониторинг. В последние годы в отделе нелинейной динамики электронных систем Института радио- физики и электроники (ИРЭ) НАН Украины ус- пешно развивается перспективное направление прикладной радиофизики и электроники – совре- менная шумовая радарная технология, или шумо- вая радиолокация. Идея шумовой радиолокации известна давно и заключается в применении непрерывных или импульсных случайных (шумовых) сигналов (ШС) в качестве зондирующих и когерентном приеме их отражений. Анализ первых экспери- ментов по радиообнаружению металлических объектов показывает, что они были выполнены именно с помощью ШС сигналов, но при их не- когерентном приеме. К. Хюльсмаер (Christian Huelsmeyer) в Германии создал и запатентовал в 1904 г. первый предшественник радара – «теле- металлодетектор» («telemobiloscope») [1] в моно- статическом исполнении. Однако еще в 1897 г. А. С. Попов в России испытал установку с анало- гичной функцией, но в бистатическом варианте [2]. В обоих случаях авторы использовали искро- вые разрядники в качестве передатчиков шумо- вых импульсов и когерер – как детектор, который осуществлял прием отраженных шумовых им- пульсов. По-видимому, первые работы по разра- ботке измерителей расстояний, базирующихся на когерентном приеме ШС, были опубликованы Р. Боуретом (R. Bourret) в 1957 г. [3] и Б. Хортоном (B. M. Horton) в 1959 г. [4]. При обеспечении когерентного приема радиолокационных отражений ШС можно отне- сти к наиболее эффективным зондирующим сиг- налам, который позволяет обеспечить важные эксплуатационные характеристики радара: высо- кое разрешение по дальности и скорости, наи- лучшую помехоустойчивость, электромагнитную совместимость, скрытность работы, помехоза- щищенность и др. Разработчиками радарных сис- тем неоднократно предпринимались попытки создания эффективных шумовых радаров с коге- рентной обработкой отраженных сигналов во многих исследовательских центрах мира, в том числе и в ИРЭ НАН Украины. Однако эти иссле- дования не были успешными, в основном, по сле- дующим причинам: отсутствие эффективных ис- точников ШС и управляемых широкополосных линий задержек, необходимых для когерентной обработки отраженных случайных сигналов, т. е. широкополосных корреляционных приемников. Таким образом, к ключевым задачам, ре- шение которых необходимо для успешного раз- вития современной шумовой радиолокации, сле- дует отнести: создание эффективных источников шумовых радиосигналов и широкополосных кор- реляционных приемников для когерентной обра- ботки таких сигналов. Разработанные нами мето- ды хаотизации электронных систем и цифро- аналоговой обработки случайных сигналов по- зволили создать ряд генераторов хаотических колебаний и широкополосных корреляторов, на основе которых разработаны и испытаны иссле- довательские образцы современных шумовых радаров мм и микроволнового диапазонов, и тем самым, заложить основы современной шумовой радарной технологии [5-11]. Шумовая радарная технология включает три основных составляющих: – разработка и исследование генераторов ШС на основе методов хаотизации колебаний в элек- тронных системах микроволнового и мм диапа- зонов; – разработка методов цифровой обработки случайных сигналов и создание широкополосных цифро-аналоговых корреляторов; – разработка шумовых радаров и зондирую- щих систем различного назначения. Кроме исследований в указанных на- правлениях нами проводится изучение автодин- ного эффекта в генераторах хаотических колеба- ний и возможности его применения в радиолока- mailto:LNDES@kharkov.com К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 345 ции, а также исследование явления интерферен- ции декоррелированных сигналов, в частности, спектральной интерферометрии, и построение на его основе прецизионных измерительных систем. Кратко остановимся на полученных результатах в каждом из направлений. 1. Автогенераторы хаотических коле- баний, как источники ШС. Создание эффектив- ных широкополосных источников случайных сиг- налов с требуемыми характеристиками – одна из ключевых задач современной шумовой радиоло- кации, которая успешно решается в отделе нели- нейной динамики электронных систем ИРЭ НАНУ [8-12]. Основная идея построения источников слу- чайных сигналов базируется на использовании явления динамического хаоса в электронных при- борах микроволнового и мм диапазонов, исполь- зуемых нами для создания источников ШС. Разра- ботка первого генератора хаотических колебаний мм диапазона [8, 9] опиралась на теоретические исследования динамического хаоса и достижения ИРЭ в области электронно-вакуумных приборов О-типа. Стохастизация автоколебательного режи- ма лампы обратной волны (ЛОВ) возможна за счет эффекта запаздывания в канале обратной связи через амплитудную автомодуляцию огибающей, которая реализуется при отношениях рабочего тока к стартовому > 30. Однако в мм диапазоне длин волн реализация таких отношений токов за- труднена из-за слабой связи электронного потока с полем синхронной волны и технологических огра- ничений получения плотных электронных потоков, поэтому в мм диапазоне удалось разработать и изготовить только резонансные лампы обратной волны (ЛОВО), колебательная система которых имеет сравнительно высокую добротность. По- следнее обстоятельство делает невозможным воз- буждение широкополосных колебаний в таких генераторах и, следовательно, реализацию хаоти- ческих режимов. Нами было найдено новое реше- ние, которое обеспечило уменьшение стартовых токов и достаточную широкополосность колеба- тельной системы ЛОВО. С этой целью мы значи- тельно увеличили длину взаимодействия элек- тронов с полем, что позволило уменьшить стар- товый ток (а следовательно, увеличить достижи- мые превышения рабочего тока над стартовым), и значительно ослабили коэффициент отражения ( 0,3-0,5) поверхностной волны от коллекторного и пушечного выводов СВЧ мощности, что не- сколько повышает стартовый ток, но значительно расширяет возможную полосу генерируемых час- тот. Такие электронно-вакуумные приборы полу- чили название слаборезонансных ЛОВО [8, 9]. На рис. 1 показано схематическое изо- бражение слаборезонансной ЛОВО 8-мм диапа- зона, а спектры генерируемых колебаний при различных значениях отношения рабочего тока к стартовому представлены на рис. 2. Рис. 1. Генератор хаоса на основе слаборезонансной ЛОВО 8-мм диапазона Рис. 2. Эволюция спектра мощности сигнала слаборезонанс- ной ЛОВО 8-мм диапазона с ростом отношения рабочего тока к стартовому K: а) – K = 3; б) – K = 7; в) – K = 19; г) – K = 48 Уже в первых экземплярах слаборезо- нансных ЛОВО 8-мм диапазона были получены рекордные значения полосы генерируемых частот и мощности непрерывной генерации ШС, харак- теризуемых сплошным спектром и быстрым уменьшением корреляций генерируемого сигнала. Однако более важное достижение этих исследо- ваний заключалось в том, что впервые был по- строен автогенератор хаотических колебаний, который с эксплуатационной точки зрения экви- валентен автогенератору одночастотных колеба- ний, так как для получения требуемого широко- полосного сигнала на такой прибор достаточно P(f) P(f) P(f) P(f) К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 346 подать питающее напряжение без какой-либо дополнительной модуляции и т. п. Применение электронно-вакуумных ис- точников электромагнитных сигналов оправдано лишь в тех случаях, когда это действительно необ- ходимо, например, для обеспечения требуемой мощности зондирующего сигнала. Поскольку та- кое применение для шумовой радиолокации в то время не прогнозировалось, то основные усилия в дальнейшем развитии этого направления были сосредоточены на изучении возможностей полу- проводниковых активных элементов, таких как диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД), транзисторы, а также микрополосковой техноло- гии для генерации хаотических колебаний с целью создания эффективных автогенераторов ШС. Развитие методов хаотизации динамики электронных систем и разработка генераторов хаотических колебаний основаны на результатах фундаментальных исследований нелинейных ди- намических систем. С математической точки зре- ния любая динамическая система может быть описана в терминах дифференциальных или диф- ференциально-разностных уравнений, что послу- жило отправной точкой в исследовании нелиней- ных динамических систем и их классификации. Динамическая система может демонстрировать хаотическое поведение лишь в том случае, если она является нелинейной и имеет не менее 1,5 степеней свободы, т. е. описывается системой уравнений третьего порядка и выше. Существует два обширных класса таких систем. К первому классу относятся нелинейные и квазилинейные системы, описываемые обыкновенными диффе- ренциальными уравнениями (ОДУ), дифференци- альными уравнениями в частных производных или дифференциально-разностными уравнениями (ДРУ) с линейными граничными условиями. Примером системы, описываемой ОДУ, является многорезонансная система с хаотическим взаи- модействием мод, возбуждаемая активным эле- ментом [10, 11]. Примером системы, которая опи- сывается дифференциальными уравнениями в частных производных, может служить электрон- но-вакуумная система с пространственным взаи- модействием электромагнитного поля с элек- тронным пучком, т. е. упомянутая выше слаборе- зонансная ЛОВО. Второй класс – это линейные уравнения в частных производных с нелинейны- ми граничными условиями. Этому случаю, в ча- стности, соответствуют электронные системы с запаздывающей обратной связью (ЗОС), такие как нелинейный усилитель с кольцевой ЗОС (в СВЧ диапазоне – это известный «шумотрон»), линия передачи, нагруженная нелинейным актив- ным элементом [12] и др. Генераторы этого клас- са были созданы нами на основе результатов тео- рии линейных колебательных систем с нелинейно отражающими стенками [13, 14]. Еще один класс хаотических систем связан с использованием свойства микроволновых хаотических резонато- ров, характеризуемых наличием так называемых неинтегрируемых и несепарабельных границ, способных поддерживать широкополосные нере- гулярные состояния полей, что дает возможность возбуждения в них широкополосных хаотических автоколебательных режимов [11]. На рис. 3 пока- зано схематическое изображение транзисторных генераторов хаоса с использованием микрополос- ковых колебательных систем с запаздыванием и хаотическим резонатором. Следует отметить, что хаотические сигналы, генерируемые нелинейны- ми динамическими системами, обладают свойст- вом экспоненциального спадания автокорреляци- онной функции, поэтому хаотические сигналы с полным основанием могут использоваться в шу- мовой радиолокации, где прием сигналов основан на экспериментальной оценке корреляций между отраженным и опорным сигналами, а разрешение по дальности определяется шириной основного максимума корреляционной функции. ___________________________________________ Рис. 3. Схематическое изображение транзисторных генераторов хаоса с запаздывающей обратной связью и хаотической резонанс- ной системой типа «стадион» К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 347 2. Автодинный эффект в автогенера- торах хаоса. В ходе исследований автоколеба- тельных режимов слаборезонансной ЛОВО был обнаружен автодинный эффект в автогенераторах хаоса [15-17]. Автодинный эффект в автогенера- торах хаоса существенно отличается от аналогич- ного эффекта в генераторах монохроматических колебаний. Он заключается в появлении перио- дической структуры в спектральной плотности мощности выходного сигнала при наличии даже неподвижного отражателя в тракте нагрузки на расстоянии, значительно превышающем длину когерентности генерируемого сигнала. Частотный период этой структуры обратно пропорционален расстоянию до отражателя, что допускает его применение для измерения расстояний. Если же отражатель движется или колеблется, то каждая спектральная компонента выходного сигнала ос- циллирует с соответствующей доплеровской час- тотой. В том случае, когда отражатель находится на расстояниях, меньших длины когерентности ШС, автодинные эффекты в генераторах хаотиче- ских и монохроматических колебаний качествен- но аналогичны, в том числе и с точки зрения ре- гистрации доплеровского сигнала от движущихся объектов. Таким образом, автодинный эффект в автогенераторах хаоса позволяет измерять не только скорость объекта, но и расстояние до него. Более того, эти свойства автодинного эффекта в автогенераторах хаоса дают возможность строить доплеровские датчики, регистрирующие движе- ние объекта только в зоне когерентности или только в зоне некогерентности, либо в пределах переходной области между зонами когерентности и некогерентности генерируемого сигнала, что расширяет функциональные возможности таких датчиков. 3. Широкополосные корреляционные приемники ШС. Для оптимального приема ШС микроволнового и мм диапазонов, а также изме- рения корреляционных функций и доплеровских спектров сигналов, отраженных объектами ра- диолокационного наблюдения, нами было разра- ботано несколько цифро-аналоговых корреляци- онных приемников. Основным элементом таких приемников является программируемая (пере- страиваемая) линия задержки (ПЛЗ). Были разра- ботаны и созданы ПЛЗ как в диапазоне промежу- точных частот, так и на несущей частоте мм диа- пазона [18-19]. В настоящее время задача построения корреляционного цифрового приемника в диапа- зоне промежуточных частот 1-1000 МГц значи- тельно упрощается, так как достаточно быстрые аналого-цифровые преобразователи (АЦП) широ- кополосных сигналов (с тактовой частотой до 2 ГГц и выше) хоть и дороги, но все же коммер- чески доступны. Однако 15 лет назад АЦП даже с частотой 50-100 МГц были недоступны, об их существовании можно было узнать только по ссылкам в зарубежных публикациях. Поэтому мои предложения специалистам ИРЭ в области радиолокации построить шумовой радар мм диа- пазона, используя наш автогенератор хаоса, не нашли поддержки из-за непреодолимых в то вре- мя технических трудностей создания ПЛЗ и эф- фективных передатчиков ШС. Как мы показали, требования, предъяв- ляемые к ПЛЗ радиолокационных приемников, можно было удовлетворить в диапазоне частот 1-500 МГц, даже не имея в распоряжении быст- родействующие АЦП. Один из наиболее перспек- тивных путей создания корреляционного прием- ника в этом диапазоне состоит в следующем [18-19]. Реализация случайного сигнала в опор- ном канале заменяется его бинарной копией (так называемое клиппирование сигнала), которая сохраняет информацию о знаке и временах смены знака мгновенной амплитуды зондирующего сиг- нала. Из теории спектрально-корреляционного анализа случайных процессов следует, что функ- ция кросс-корреляции ),( 0R между исходны- ми сигналами и функция кросс-корреляции меж- ду принятым и клиппированным сигналами ),(€ 0R прямо пропорциональны друг другу [19] ),( 2 ),(€ 00 RR , где и 0 – времена задержки опорного и зон- дирующего сигналов. Видно, что во втором случае коэффициент корреляции уменьшается примерно на 2 дБ. Это свойство положено в основу разработки корреля- торов релейного типа [20], в которых перемножа- ется бинарная копия опорного сигнала и аналого- вый отраженный сигнал. Такой подход существен- но упрощает аппаратурную реализацию ПЛЗ – основного узла корреляционного приемника. Эта идея легла в основу разработки широкополосных цифро-аналоговых корреляционных приемников с полосой обрабатываемого сигнала до 250 МГц, в которых используются цифровые линии задержки для бинарных сигналов и аналоговые перемножи- тели и интеграторы [18-19]. В рамках предложенного подхода нами созданы цифро-аналоговые корреляционные при- емники релейного типа, в которых не применя- ются дорогостоящие АЦП, а в качестве элементов ПЛЗ используются микросхемы быстродейст- вующей цифровой памяти с произвольным или последовательным доступом. Разработано три типа цифровых ПЛЗ: – на основе универсальных синхронных 8-разрядных регистров; – на основе оперативной памяти ЭВМ; К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 348 – цифро-аналоговая прецизионная линия за- держки на основе мультиплексоров [18-19]. Первая широкополосная ПЛЗ была построена на основе сдвиговых регистров, допускающих так- товую частоту до 500 МГц. Она позволила впер- вые осуществить когерентный прием широкопо- лосных (200 МГц) ШС, отраженных от объектов, которые расположены на расстояниях ≈ 100 - 200 м, и обеспечить обзор по дальности с шагом ≈ 30 см в пределах 20 м с одновременной регист- рацией доплеровского смещения частоты с за- данной дальности. К недостаткам такой линии задержки следует отнести необходимость увели- чения количества сдвиговых регистров с ростом рабочей дальности, а также большую потребляе- мую мощность, габариты, невысокую степень интеграции, а также необходимость принуди- тельного охлаждения. Вместе с тем, изучение возможности разработки ПЛЗ в виде отдельной микросхемы показало, что именно ПЛЗ на сдви- говых регистрах – наиболее подходящий прото- тип. Следующим шагом в построении цифровых линий задержки стало использование микросхем компьютерной памяти (микросхемы типа RAM). По сравнению с регистровой ПЛЗ линия задерж- ки на основе таких микросхем имеет высокую степень интеграции, что сделало ее конструкцию менее зависимой от рабочей дальности и позво- лило уменьшить габариты и потребление элек- троэнергии. Кроме того, такое решение позволяет упростить разработку многоканальных корреля- ционных приемников, что, в частности, сущест- венно ускоряет время обзора по дальности. На базе такой ПЛЗ построен коррелятор смешанного типа (последовательно-параллельного действия), имеющий девять параллельных каналов: восемь каналов дальности и один доплеровский канал [19]. В описанных выше ПЛЗ минимальное время задержки определяется периодом тактовой часто- ты, что ограничивает достижимую величину точ- ности измерения дальности. Для улучшения этого параметра была разработана прецизионная линия задержки. Она состоит из коротких (2-3 см) по- следовательно соединенных отрезков коаксиаль- ного кабеля, выходы которых коммутируются с помощью селектора-мультиплексора, управляе- мого двоичными кодами микроконтроллера. При этом минимальное запаздывание составило вели- чину 25 пс. Применение прецизионной ПЛЗ по- зволяет создавать корреляторы с повышенной точностью измерения дальности. Основываясь на приведенных разработ- ках и используя различные типы цифровых инте- гральных микросхем, мы имеем возможность проектирования различных ПЛЗ с характеристи- ками, которые способны удовлетворить требова- ниям, предъявляемым к современным корреляци- онным приемникам различного назначения. В частности, они использовались при разработке первых шумовых радаров, описанных в нижесле- дующих разделах. 4. Современная цифровая обработка случайных сигналов. Современный подход к построению корреляционных приемников бази- руется на применении широкополосных аналого- цифровых преобразователей (АЦП) в сочетании с реализацией разработанных алгоритмов в стан- дартных ПК или в Программируемых логических интегральных схемах, в английской терминоло- гии – Field Programmable Gate Array (FPGA). О применении широкополосных АЦП будет рас- сказано в разделах, посвященных разработанным шумовым радарам. Здесь мы кратко опишем ра- боты по реализации оптимального приема ШС в реальном времени с помощью FPGA, а также возможность реализации шумового радара с ком- пьютерным (или программным) формированием и обработкой сигналов. На рис. 4. схематически показана струк- турная схема такого радара (без приемо- передающих антенн и усилителя мощности и ма- лошумящего усилителя (МШУ)) на базе FPGA. Рис. 4. Структурная схема шумового радара с программным формированием зондирующего сигнала и корреляционным приемом отраженных сигналов Экспериментальная плата, содержащая FPGA фирмы Altera, АЦП, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и другие компоненты, необходимые для реализации шумового радара с программным формированием и обработкой сиг- налов, показана на рис. 5. Рис. 5. Экспериментальная плата, содержащая FPGA фирмы Altera, АЦП, ЦАП и другие необходимые компоненты К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 349 К достоинствам современной технологии FPGA следует отнести возможность многократ- ной записи алгоритмов, что позволяет быстро и дешево совершенствовать алгоритмы обработки принимаемых сигналов и изменять тип генери- руемого сигнала. Другим важным достоинством современ- ной технологии FPGA является реализуемость в ней параллельных вычислений, что недостижимо в компьютерах с последовательным выполнением операций. Таким образом, реализация алгоритмов генерации зондирующего сигнала с последую- щим его преобразованием в аналоговую форму и излучением с помощью антенн позволяет созда- вать радиолокаторы с программным формирова- нием и приемом радиосигналов. Этот подход можно реализовать даже без преобразования не- сущей частоты сигналов в тех диапазонах, где полоса пропускания входных и выходных цепей платы FPGA совпадает с рабочим диапазоном разрабатываемого радара. В тех случаях, когда рабочие частоты намного выше, следует приме- нять традиционное аналоговое преобразование частот сигналов в диапазон промежуточных частот. 5. Радиолокационные системы на ос- нове непрерывных ШС. К настоящему времени наши разработки в области шумовой радиолока- ции ограничены созданием и испытанием систем сверхближнего и ближнего (до 1 км) действия для различных приложений [5-12, 17-29, 30-33]. В отделе нелинейной динамики элек- тронных систем был разработан ряд исследова- тельских образцов радиолокационных систем на основе шумовых зондирующих сигналов и их когерентного приема с помощью методов корре- ляционной и спектральной обработки. Они пред- назначены для решения таких задач, как преду- преждение столкновений автомобильного транс- порта, кругового или секторного обзора про- странства, получение когерентных изображений различных объектов, дистанционного мониторин- га природной среды и крупных инженерных со- оружений и др. Первый исследовательский образец шу- мового радара был создан в 8-мм диапазоне длин волн. В нем использовался непрерывный ШС с шириной спектра до 150 МГц и корреляционная обработка отраженных сигналов с помощью раз- работанного цифро-аналогового коррелятора. Разрешающая способность по дальности состави- ла величину порядка 1 м в диапазоне рабочих расстояний до 100 м. Введение в опорный канал фиксированной линии задержки в виде коакси- ального кабеля позволяло смещать зону обзора в сторону больших расстояний. Проведенные ис- пытания показали, что выбранные параметры сигнала и времени корреляции позволяют наблю- дать радиолокационную обстановку на дороге в реальном масштабе времени, различая транс- портные средства по виду огибающей регистри- руемой корреляционной функции, фиксировать их перемещение и т. п. Более того, разработанный корреляционный приемник, принимая отражен- ные сигналы с фиксированной дальности, был способен регистрировать очень медленные дви- жения объектов, различать деревья различных видов по характеру доплеровских спектров сиг- налов, рассеиваемых их листвой, и др. Кроме того, разработанный шумовой радар использовался в рефлектометре 8-мм диапазона для диагностики плотной плазмы. Рефлектометр создан и испытан совместно с коллегами из Харьковского физико- технического института (ХФТИ) [1, 21, 22]. Шумовой радиолокатор непрерывного действия 4-мм диапазона волн для систем преду- преждения столкновений автомобильного транс- порта [23] был разработан в рамках проекта УНТЦ. В качестве зондирующего сигнала ис- пользовался непрерывный ШС с центральной частотой 76,5 ГГц и шириной спектра 180 МГц, а оптимальный прием отраженных сигналов осу- ществлялся с помощью описанного выше много- канального коррелятора релейного типа [6, 19]. Внешний вид разработанного радиолокатора по- казан на рис. 6, а. а) б) Рис. 6. Внешний вид шумового радара для системы преду- преждения столкновений (а) и отображение информации на дисплее шумового радара секторного обзора (б) К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 350 В его состав входят: антенная система, пе- редатчик, корреляционный приемник, синхрони- затор, блок сбора, подготовки и ввода данных в компьютер. Антенная система состоит из син- хронно сканирующих антенн приемника и пере- датчика. Передатчик включает в себя генератор шума и канал формирования опорного сигнала. В состав приемника входят двухканальный коге- рентный конвертор и многоканальный корреля- тор. Конвертор состоит из двух смесителей, гете- родина, фазовращателя и двух усилителей про- межуточной частоты (УПЧ). В состав коррелято- ра входят: формирователь бинарного сигнала, цифровая линия задержки, восемь каналов изме- рения дальности и один канал измерения скоро- сти. Радиолокатор позволяет решать задачи обна- ружения участников дорожного движения, изме- рения дальности до них, их радиальной скорости и ее знака. Алгоритм обработки состоит из двух частей. Первая реализована аппаратно в корреля- торе, а вторая – в виде компьютерных программ. Такой подход позволил реализовать обработку данных в реальном масштабе времени. Про- граммная часть предназначена для обработки числовых данных, поступающих с выхода корре- ляционного приемника, и отображения дорожной обстановки на экране монитора в виде индикато- ра секторного обзора. Она состоит из трех этапов и позволяет обнаружить движущиеся неподвиж- ные цели в зоне обзора, определить расстояние до каждой из них, а также определить значение ско- рости и направление движения цели, которая бы- ла выбрана для наблюдения. Индикатор сектор- ного обзора представляет собой схему рабочей зоны радиолокатора, разбитую на восемь равных секторов, которые соответствуют восьми пелен- гам. Один пеленг обрабатывается в течение 6,25 мс. За это время происходит прием, ввод и обработка радиолокационных данных, а также отображение результатов на экране монитора. 6. Когерентно-импульсные шумовой радар кругового обзора и РСА. Первый коге- рентно-импульсный шумовой радиолокатор кру- гового обзора был разработан в 3-см диапазоне длин волн и предназначен для обнаружения, на- блюдения и измерения дальности, скорости и азимута объектов, находящихся в зоне обзора [24]. Шумовой когерентно-импульсный радар 3-см диапазона, внешний вид которого показан на рис. 7, состоит из антенной системы, передатчика, конвертора, синхронизатора, блока сбора и обра- ботки импульсных ШС и монитора для отобра- жения радиолокационной обстановки. С помощью передатчика производится формирование зондирующего сигнала с заданны- ми характеристиками. Спектр сигнала формиру- ется путем специальной частотной модуляции колебаний генератора напряжением источника хаотических колебаний. Кроме формирователя ШС передатчик включает канал опорного сигнала, усилитель мощности и электрически управляе- мые аттенюаторы, обеспечивающие гибкое управление уровнем сигналов. а) б) Рис. 7. Внешний вид когерентно-импульсного шумового ра- дара кругового обзора для работы в лабораторных (а) и в полевых (б) условиях Излучение зондирующих и прием отра- женных сигналов осуществляется с помощью приемо-передающей зеркальной параболической антенны. Отраженный и зондирующий сигналы в конверторе преобразуются в диапазон промежу- точных частот 10-400 МГц. Выходной сигнал кон- вертора оцифровывается с помощью АЦП фирмы GaGe типа CompuScope82G-2M и поступает в ком- пьютер для дальнейшей обработки и отображения на экране монитора наблюдаемой радиолокацион- ной обстановки. АЦП CompuScope82G-2M имеет тактовую частоту до 2 ГГц, что позволяет рабо- тать с импульсными сигналами, имеющими ши- рину спектра до 1 ГГц. Однако ввиду ограниче- ния полосы рабочих частот входных усилителей АЦП рабочая полоса радара была не выше 400 МГц. Аппаратная часть радиолокатора управляется с помощью разработанного синхро- низатора, выполненного на основе современных микроконтроллеров. Управление радаром осуще- ствляется оператором с клавиатуры компьютера. Анализ отраженных ШС производится с помо- щью разработанного программного обеспечения, реализующего как когерентную, так и некоге- рентную обработку. В режиме кругового обзора используется зеркальная антенна с диаграммой направленности шириной 2,5° как по азимуту, так и по углу места. Обработка отраженных ШС и отображение радиолокационной информации на индикаторе кругового обзора производится в компьютере в реальном масштабе времени с пе- риодом обзора 10 или 20 с и когерентным накоп- лением 10-15 импульсов для каждого пеленга. На основе когерентно-импульсного шу- мового радиолокатора кругового обзора 3-см диапазона длин волн создан шумовой РСА, в ко- К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 351 тором фазовый центр приемо-передающей антен- ны движется по дугообразной траектории [24]. Для этого вместо зеркальной параболической антенны установили штангу длиной до 3 м с ру- порной антенной на ее конце (рис. 8). Рис. 8. Внешний РСА на базе когерентно-импульсного шумо- вого радара кругового обзора Рупорная антенна имеет симметричную диаграмму направленности, ширина которой со- ставляет 20° в обеих взаимно ортогональных плоскостях. Фазовый центр этой антенны дви- жется по дуге радиусом 2 м в секторе с угловым размером 120°. При этом отраженный и зонди- рующий сигналы в цифровом виде записываются с помощью АЦП CompuScope82G-2M на жестком диске компьютера для последующей корреляци- онной обработки и синтеза апертуры антенны с помощью соответствующего программного обес- печения. В этом режиме радиолокатор работает в условно реальном масштабе времени. Движение приемо-передающей антенны по дуге представля- ет особый интерес при разработке исследователь- ских РСА в связи с простотой реализации подоб- ного движения. На рис. 9 показан схематический план территории и ее РСА изображение, полу- ченное с помощью данного РСА ___________________________________________ Рис. 9. Сектор обзора РСА с высоты 5-го этажа корпуса ИРЭ с планом расположения крупных объектов (а) и РСА изображение (б), полученное с помощью 3-см шумового РСА с дугообразным движением антенны ___________________________________________ 7. Наземный шумовой РСА 8-мм диа- пазона и дифференциальная интерферометрия. Дифференциальная РСА интерферометрия (ана- лог голографической интерферометрии в оптике) заключается в сравнении фазовых распределений двух РСА изображений и позволяет обнаружи- вать очень малые, визуально незаметные дефор- мации инженерных сооружений, случившиеся в течение определенного промежутка времени. Это достигается с помощью получения РСА изобра- жений наблюдаемого объекта в разные моменты времени с одной и той же позиции и регистрации разности фаз в идентичных участках полученных РСА изображений. Поскольку в разработанных шумовых радарах реализована когерентная обра- ботка отраженных сигналов, построение РСА на основе шумовых сигналов сомнений не вызывает. Первый РСА с непрерывным шумовым сигналом 3-см диапазона был разработан нами для прове- дения совместных исследований в Институте космических исследований Европейской комис- сии (JRC EC-Ispra) г. Испра, Италия, в 1998 г. [25]. Полученные результаты экспериментально под- твердили применимость ШС для получения коге- рентных изображений. Более того, разработанный передатчик обладает высокой устойчивостью энергетического спектра выходного сигнала к дестабилизирующим факторам благодаря приме- нению на выходе генератора шума (термоста- бильного) эталонного пассивного фильтра с тре- буемой полосой пропускания. Это свойство шу- мового радара, а также примененная корреляци- 250 200 150 250 200 150 100 50 100 50 0 –10 –15 –20 –25 –30 –35 –40 –5 –150 –100 –50 0 –150 –100 –50 0 D С B Е А К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 352 онная обработка, предполагающая запоминание излучаемого сигнала, обеспечили очень высокую долговременную стабильность и повторяемость выходных характеристик шумового радара. Эти качества дали возможность успешного использо- вания шумовой РСА в дифференциальной интер- ферометрии. Проведенные эксперименты показа- ли, что одним из перспективных применений шу- мового РСА может быть дистанционный монито- ринг состояния инженерных сооружений, осно- ванный на дифференциальной РСА интерферо- метрии. К таким инженерным сооружениям сле- дует отнести здания, мосты, плотины, телевизи- онные вышки, разнообразные металлоконструк- ции и другие объекты сложной формы, имеющие участки зеркального отражения: края, ребра, уг- ловые конструкции и участки более сложной то- пологии. При этом размеры участков локального отражения значительно превышают длину волны зондирующего сигнала. Преимущество примене- ния РСА по сравнению с аналогичными лазерны- ми системами заключается в том, что требуемая высокая точность фазовых измерений сочетается с достаточно большой степенью усреднения в пределах ячейки разрешения (дальность – азимут), что позволяет решать задачу обнаружения малых отклонений, обрабатывая несравненно меньший поток данных, игнорируя несущественные изме- нения поверхности зондируемого объекта. Кроме того, обеспечение фазовой и частотной стабиль- ности лазеров часто представляет собой более сложную задачу по сравнению с обеспечением стабильности приемопередатчиков радаров мм диапазона. Шумовой наземный РСА 8-мм диапазона был разработан в рамках проекта УНТЦ для обеспечения дистанционного мониторинга со- стояния конструкции саркофага Чернобыльской АЭС и других инженерных сооружений [26-28]. Схема мониторинга саркофага условно показана на рис. 10. В состав 8-мм шумового РСА, показан- ного на рис. 11, входят: приемопередатчик, ан- тенная система, система управления режимами работы, система сбора и обработки отраженных сигналов, а также система генерации и отображе- ния полученных РСА изображений. Рис. 10. Схематическое изображение дистанционного монито- ринга саркофага Чернобыльской АЭС с помощью наземного шумового РСА ___________________________________________ Рис. 11. Наземный многопозиционный шумовой РСА 8-мм диапазона К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 353 В разработанном РСА используется коге- рентный приемо-передающий тракт и движение фазового центра приемо-передающей антенны вдоль стабильно повторяющейся траектории, что позволяет регистрировать амплитудно-фазовое распределение отраженных сигналов с азиму- тальным разрешением, определяемым длиной траектории. Для обеспечения движения фазового центра излучателя наземной РСА были предло- жены и разработаны антенны нового типа – ска- нирующие антенны с синтезированием апертуры [30, 35-37]. При этом когерентность обработки ШС обеспечивается запоминанием зондирующих сигналов и осуществлением взаимно корреляци- онной обработки с отраженными сигналами. Для этого приемник непрерывных шумовых РСА строится по двухканальной схеме. Он состоит из опорного канала и канала приема отраженных сигналов. Основная обработка отраженных сиг- налов происходит в компьютере на уровне про- граммного обеспечения. Это позволяет приме- нить очень сложные и гибкие алгоритмы обра- ботки принятых сигналов. Основные характери- стики шумового РСА представлены в таблице. Основные характеристики шумового наземного РСА 8-мм диапазона № п/п Параметры Значения 1. Диапазон частот 36 ÷ 37 ГГц 2. Полоса ШС 500 МГц 3. Размер синтезированной апертуры 0,7 м 4. Обзор по азимуту 80 5. Обзор по углу места 20 6. Разрешение по дальности 0,3 м 7. Разрешение по азимуту на дистан- ции 50 м 0,5 м 8. Точность измерения смещений 0,1 мм 9. Время одного скана –20 с 10. Рабочий диапазон расстояний 3 ÷ 100 м Не останавливаясь более детально на описании состава и функций разработанной шу- мовой РСА, отметим, что в ней заложены потен- циальные возможности работы в разнообразных режимах: – импульсный и непрерывный; – режим с удвоением рабочей полосы частот благодаря переключению центральных частот передатчика и гетеродина; – режим моностатической и бистатической РСА. Для управления взаимодействием со- ставных частей РСА разработан синхронизатор, построенный на основе микроконтроллеров, ко- торый позволяет гибко изменять конфигурацию РСА, обеспечивая любое сочетание указанных выше режимов. Достоинством импульсного ре- жима является возможность использования одно- го и того же приемника для записи как зонди- рующих, так и отраженных сигналов, благодаря чему вносимые амплитудно- и фазочастотные искажения будут идентичны для обоих сигналов, что значительно упрощает их обработку. В сис- теме реализована синхронизация всех ее узлов, использован термостабилизированный кварцевый генератор в качестве гетеродина, что обеспечива- ет полную когерентность РСА во всех режимах. Минимальный размер ячейки разрешения состав- ляет 30×30 см на расстояниях порядка 50 м при секторе обзора 80° (азимут) на 20° (угол места). Потенциальная точность измерения дальности – 10 см, а потенциальная погрешность измерения смещений отражателей – 0,1 мм, время полного обзора – 30 с. Разработанный шумовой РСА позволяет проводить разнообразные эксперименты в облас- ти ближней радиолокации, получать РСА изо- бражения в 8-мм диапазоне длин волн с высоким разрешением, отрабатывать методы дифференци- альной интерферометрии и прецизионного мони- торинга состояния инженерных сооружений, а также проводить сравнение радаров, использую- щих зондирующие сигналы разных типов и др. Первые испытания шумовой РСА были проведе- ны в лабораторных условиях. Полученные ре- зультаты подробно изложены в работах [26-28]. Здесь отметим два важных результата: – шумовой РСА позволяет получать когерент- ные изображения внутри помещений в условиях множественных отражений зондирующего сигнала; – инструментальная погрешность измерения смещений рассеивающих объектов составляет величину не хуже 0,1 мм для измерений внутри помещений и 0,05 мм на открытых площадках. Разработанный наземный РСА использо- вался для проведения краткосрочного монито- ринга колокольни Софиевского собора в г. Киеве [29]. Фотография этого здания и РСА на перед- нем плане приведена на рис. 12. Рис. 12. Колокольня Софиевского собора в г. Киев и шумовой РСА 8-мм диапазона К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 354 Высота колокольни – 75 м от поверхно- сти земли. РСА был установлен на поверхности земли на расстоянии 22 м от стены колокольни. Передающая и приемная антенны РСА были на- правлены вверх под углом 54º относительно ли- нии горизонта. Измерения проводились в течение 20 ч с интервалом 0,5 и 1 ч в зависимости от вре- мени суток. Результаты измерений были записаны на жесткий диск компьютера и обработаны с по- мощью соответствующего алгоритма для получе- ния РСА изображений. Пример РСА-изображения колокольни, по- лученного в ночное время, приведен на рис. 13, а. На рис. 13, б показано РСА изображение после восхода солнца. На рисунках отчетливо видно зда- ние колокольни и такие характерные ее части, как козырьки, окна с металлическими решетками, ку- пол и крест. Метод дифференциальной интерфе- рометрии позволяет проводить сравнение фаз ме- жду РСА изображениями, полученными в разные моменты времени. Это дает возможность обнару- живать небольшие смещения частей объекта отно- сительно друг друга. а) б) Рис. 13. РСА изображения колокольни Софиевского собора, полученные в ночное (а) и утреннее (б) время На рис. 14. показаны РСА интерферо- граммы колокольни для ночных измерений (а) и во время восхода солнца (б). На интерферограммах светло-серым цветом обозначена область с отношением сиг- нал/шум ниже 45 дБ. Темно-серым цветом отме- чены области со сдвигом фазы, близким к нулю, что соответствует отсутствию смещений облу- чаемой поверхности за время между этими изме- рениями. Видно, что в первом случае смещения наблюдаемого объекта не зарегистрированы, в то время как в период восхода солнца зарегистриро- ваны изменения разности фаз в области интерфе- рограммы, соответствующей восточной части колокольни, что, очевидно, вызвано смещением деталей колокольни за счет их нагрева в солнеч- ных лучах. а) б) Рис. 14. Интерферограммы РСА изображений колокольни Софиевского собора, полученные в ночное (а) и утреннее (б) время Для анализа погрешности измерений применялись гистограммы разности фаз сравни- ваемых изображений. По ширине пика такой гис- тограммы можно судить о статистике отклонений фазы между двумя измерениями. Ночные измере- ния показали достаточно высокую стабильность колокольни: при постоянной температуре и в от- сутствие ветра отклонения от среднего значения составило величину порядка 0,05 мм, что соот- ветствует аппаратурной погрешности. Отклоне- ние фазы при измерениях в дневное время соот- ветствовало смещению на величину порядка 1 мм, что, скорее всего, связано с постоянным прогре- вом деталей колокольни под действием солнеч- ных лучей и появлением восходящих потоков воздуха. Таким образом, была подтверждена воз- можность получения изображений и интерферо- грамм конструкций с помощью разработанной аппаратуры в реальных условиях. Результаты измерений показали очень высокую стабильность и воспроизводимость измерений благодаря как соответствующему качеству оборудования, так и методу обработки сигналов, который использо- вался в шумовом РСА. Достигнута очень высокая (характерная для интерферометрических мето- дов) чувствительность к малым радиальным сме- щениям и структурным изменениям наблюдаемо- го объекта и точность их измерений. 8. Сканирующие антенны с синтезиро- ванием апертуры. Неотъемлемой частью разра- ботанного наземного шумового РСА являются сканирующие антенны с синтезированием апер- туры [29, 34, 35]. Как известно, разработка быст- родействующих сканирующих антенн с широким сектором обзора и большим количеством поло- жений луча представляет собой трудную научно- К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 355 техническую задачу, которая решена с помощью предложенных в работах [29, 34, 35] антенн ново- го типа – сканирующих антенн с синтезировани- ем апертуры. Основная идея этого подхода пред- ложена мною и состоит в сочетании применения концепции синтезирования апертуры с реализа- цией перемещения излучающей щели (или друго- го элементарного излучателя) вдоль неподвижной реальной апертуры. Оказалось, что этот подход позволяет разработать антенны с эквивалентным сканированием луча по азимуту с числом поло- жений, недостижимым при использовании тради- ционных методов. Предложенная в работах [29, 34, 35] спирально-щелевая антенна синтези- рованной апертуры представляет собой одно из возможных технических решений, реализующих данный принцип. Эта антенна образована двумя полыми коаксиальными цилиндрами. Внешний цилиндр имеет продольную щель, параллельную оси цилиндра, в то время как другой содержит волновод спиральной формы, в узкой стенке ко- торого имеется последовательность полуволно- вых щелей, должным образом ориентированных относительно щели внешнего цилиндра. Полу- волновые щели используются в качестве элемен- тарной приемо-передающей антенны. При вра- щении внутреннего цилиндра происходит пере- мещение точки пересечения спирального волно- вода с продольной щелью внешнего цилиндра, что дает перемещение полуволновых щелей вдоль нее. Обеспечивая экранирование излучения остальных полуволновых щелей, мы реализуем линейное движение приемо-передающей антенны, необходимое для синтезирования апертуры. Другой вариант реализации нового прин- ципа предложен в волноводно-ленточном сканере (Tape Scanner). Излучение – прием электромаг- нитных волн осуществляется резонансной щелью в металлической ленте, экранирующей продоль- ную щель, сделанную в широкой стенке волново- да. Перемещение ленты, а тем самым и щели вдоль волновода происходит за счет вращения ведущего шкива. Таким образом, приемником на входе антенны могут быть зарегистрированы ам- плитуда и фаза микроволнового поля в любой точке вдоль направления волновода связи. Дрос- сельные канавки вдоль волновода предотвращают паразитное излучение из антенны, а короткоза- мыкающий поршень повышает эффективность излучения из щели. В системах ближнего радио- видения часто требуются антенны с максимально широкой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости. По этой причине щель в ленте ориентирована перпендикулярно направле- нию движения. Уникальное свойство данной ан- тенны заключается в том, что она обеспечивает рекордно широкие значения сектора обзора в азимутальной плоскости: 140º. Такие значения сектора обзора не могут быть обеспечены други- ми видами сканирующих антенн. По сравнению со спиральным сканером данная антенна обладает большей широкополосностью и не требует при- менения вращающегося сочленения для прие- ма/излучения микроволновой энергии. В даль- нейшем нами был предложен и 2D Tape Scanner, позволяющий несколько расширить сектор обзо- ра в азимутальной плоскости и обеспечить дис- кретное сканирование луча в угломестной плос- кости [30]. Предложенные решения можно рассмат- ривать как технические реализации сканирующих антенн нового класса, обеспечивающих поворот луча приемной антенны с помощью метода син- тезирования апертуры в когерентном радаре, но при неподвижной антенне как целого. В таких антеннах пространственно-временное перемеще- ние приемо-передающей антенны вдоль апертуры может быть либо реальным, либо виртуальным. В свою очередь, виртуальное перемещение эле- ментов линейной антенной решетки осуществ- ляется с помощью либо электромеханических, либо электронных коммутирующих устройств [29, 34, 35]. Одним из перспективных примене- ний таких антенн могут быть радары обзора лет- ного поля современных аэропортов [30, 31]. 9. Спектральная интерферометрия стационарных случайных сигналов. Понятие когерентности волн является одним из централь- ных понятий многих областей современной фи- зики и техники, таких как оптика и лазеры, элек- тродинамика и радиофизика, квантовая/волновая механика и акустика и др. Традиционно коге- рентность определяется как сохранение во време- ни фазовых соотношений двух и более гармони- ческих (квазигармонических) процессов с близ- кими средними частотами; ее проявление изуча- ется через регистрацию интенсивности суммар- ного процесса. Нами ведутся работы по обобще- нию этого фундаментального понятия на случай интерференции стационарных случайных процес- сов в спектральной области (спектральной ин- терферометрии [16, 18, 32, 33, 38]). В рамках этих исследований наиболее заметен прогресс в области шумовых измери- тельных систем на основе спектральной интерфе- рометрии [32, 33, 38]. Принцип работы таких сис- тем основан на явлении интерференции гармони- ческих составляющих зондирующего и отражен- ного сигналов, которое удобно наблюдать в спек- тральной области в тех случаях, когда расстояние до отражателя намного превышает длину коге- рентности ШС. При этом спектр суммарного сиг- нала приобретает периодическую модуляцию с частотным периодом, обратно пропорциональ- ным удвоенному расстоянию до отражателя, а положение интерференционных максимумов и К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 356 минимумов в спектральной области модуляции определяется фазовыми соотношениями между опорным и принятым сигналами. В работах Пуа- рье предложено измерять расстояние до отража- телей, определяя частоту появления интерферен- ционных максимумов с помощью вторичной об- работки спектра суммы излучаемого и отражен- ного сигналов, и указано на принципиальную возможность применения этого подхода в радио- локации. Значительное преимущество этого ме- тода состоит в том, что для измерения расстояний линия задержки не требуется, однако возникают дополнительные трудности (например, необхо- димость выравнивания уровней опорного и отра- женного сигналов), затрудняющие практическое применение спектральной обработки на больших расстояниях. В то же время такая обработка пред- ставляется весьма перспективной для прецизион- ного измерения коротких расстояний. Нами пред- ложена модификация метода двойной спектраль- ной обработки [32, 33, 38], основанная на измере- нии частотных координат интерференционных максимумов модуляции и позволяющая прово- дить абсолютные измерения расстояний с преци- зионной точностью. В рамках проектов УНТЦ были разработаны абсолютные измерители рас- стояний, использующие ШС и метод спектраль- ной интерферометрии в 3-см и оптическом диапа- зонах. Теоретически показана возможность абсо- лютного измерения расстояний порядка 10 м с помощью такого прибора с погрешностью не- сколько десятков микрон. К основным недостат- кам таких приборов следует отнести высокие требования к стабильности частоты гетеродина и необходимость проведения статистического ус- реднения по большому числу реализаций. Можно отметить еще одно потенциальное преимущество шумового радара со спектральной обработкой, связанное с возможным решением проблемы па- разитного просачивания энергии передатчика в приемник непрерывного шумового радара через его антенны и канал гетеродина. Метод спек- тральной интерферометрии позволяет использо- вать сигнал паразитного просачивания в качестве опорного сигнала. Выводы. В работе продемонстрированы возможности развития шумовой радарной техно- логии и построения на ее основе современных вы- сокоинформативных шумовых радаров различного назначения. Применение ШС и корреляционного приема отраженных сигналов обеспечивают целый ряд преимуществ при их проектировании. Шумовые/хаотические/случайные сигна- лы позволяют реализовать одновременно: – оптимальный прием отраженных сигналов, что обеспечивает максимальные отношения сиг- нал/шум; – высокую степень сжатия сигнала, дающее высокое разрешение по дальности; – отсутствие боковых лепестков функции не- определенности (хотя и с сохранением остаточ- ных флуктуаций); – независимое управление параметрами раз- решения при совместных измерениях дальности и скорости; – однозначное определение дальности для не- прерывных и импульсных сигналов: отсутствие интервала неоднозначности даже для импульсно- периодических шумовых радаров. Кроме того, шумовые радары обладают наилучшими показателями таких важных харак- теристик радаров, как помехозащищенность (ус- тойчивость и надежность работы), скрытность (низкая вероятность обнаружения) и электромаг- нитная совместимость (одновременная работа многих радарных систем в одном и том же месте). Данные преимущества шумовых радаров в соче- тании с достижениями современной технологии микроволн и волн мм диапазона (малые размеры, легкий вес антенн и других СВЧ компонент и т. д.) показывают, что шумовая радиолокация является перспективной многообещающей техно- логией для создания недорогих, портативных, с малым потреблением энергии радиолокационных систем для многих областей гражданского и во- енного назначения. В настоящее время области разработки шумовых радаров мм диапазона ИРЭ НАНУ занимает лидирующее положение в мире. В экспериментальных и теоретических исследованиях в области динамического хаоса, широкополосных цифро-аналоговых коррелято- ров и шумовых радаров в разное время принима- ли участие сотрудники отдела: А. А. Могила, Ю. А. Александров, П. Л. Выплавин, О. В. Земля- ный, В. В. Кулик, В. П. Паламарчук, Ю. А. Шиян, Н. К. Заяц, В. Л. Вирченко, В. А. Ракитянский, Н. Коваленко, Р. Коваленко. Всем им автор вы- ражает искреннюю благодарность и надеется на дальнейшее плодотворное сотрудничество. Автор также признателен сотрудникам ИРЭ В. Н. Скресанову, М. П. Натарову, А. И. Шубно- му и В. Гламаздину за существенный вклад в раз- работку антенн с синтезированием апертуры и блока микроконтроллерного управления радаром, а также О. Нечаеву и президенту фирмы «Лекис» (г. Киев) Б. С. Чернию за разработку и изготовле- ние компонент приемо-передающей аппаратуры шумовых радаров. 1. Van Loon B. Radar 101: Celebrating 101 years of develop- ment // Proc. IEEE. – 2005. – 93, No. 4. – P. 844-846. 2. Сhernyak V. S., Immoreev I. Ya., Vovshin B. M. Radar in the Soviet Union and Russia: A brief historical outline // IEEE. Aerosp. Electron. Syst. Mag. – 2003. – 18, No. 12. – P. 8-12. 3. Bourret R. A. proposed technique for the improvement of range determination with noise radar // Proc. IRE. – 1957. – 45, No. 12. – P. 1744-1744. 4. Horton B. M. Noise-modulated distance measuring systems // Proc. IRE. – 1959. – 47, No. 5. – P. 821-828. К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 357 5. Лукин К. А. Шумовая радарная технология // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – 1999. – 4, № 3. – С. 105-111. 6. Lukin K. A. The principles of noise radar technology // Proc. of The First International Workshop on Noise Radar Technol- ogy. – (18-20 Sept.2002.Yalta, Ukraine). – 2002. – 280 р. 7. Lukin K. A. Noise radar technology: the principles and short overview // Proc. of the International Conference on Noise Radar Technology, NRT-2003 / Applied Radio Electronics, Kharkоv. – 2005. – 1. – 142 р. 8. Lukin K. A., Rakityansky V. A. Sources of millimeter wave noise oscillations // Proc Int. Symposium «Physics and Engi- neering of Millimeter and Submillimeter Waves». – 1995. – 2. – P. 322-324. 9. Rakityansky V. A., Lukin K. A. Excitation of the Chaotic Oscil- lations in Millimeter BWO // Int. Journal of Infrared and Mil- limeter waves. – 1995. – 16, Nо. 6. – Р. 1037-1050. 10. Lukin K. A., Kulik V. V, Zemlyaniy O. V. // Proc. NRTW-2002 Application of dynamical chaos for design of random wave- form generators, (Yalta, Ukraine. 18-20 September 2007). – 2007. – P. 129-135 11. Lukin K. A., Kulik V. V., Zemlyaniy O. V. Random Waveform Generators for Noise Radar // Applied Radio Electronics. – 2005. – 4, Nо. 1. – Р. 104-110. 12. Земляный О. В., Лукин К. А. Корреляционно-спектральные свойства хаоса в нелинейной динамической системе с за- паздыванием и асимметричным нелинейным отображени- ем // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радио- физики и электрон. НАН Украины. – 2002. – 7, № 2. – С. 406-414. 13. Лукин К. А., Шестопалов В. П. Рассеяние электромагнит- ных волн на границе с нелинейным отражением. – Харь- ков, 1985. – 15 с. – (Препр. / АН УССР. Ин-т радиофизики и электрон.; № 288). 14. Лукин К. А., Майстренко Ю. Л., Шарковский А. Н., Шес- топалов В. П. Метод разностных уравнений в резонанс- ной задаче с нелинейным отражением // Докл. АН СССР. – 1989. – 309, № 2. – С. 327-331. 15. Лукин К. А. Теория автоколебаний в приборах дифрак- ционной электроники: Дис. …докт. физ.-мат. наук. – Харьков, 1987. – 431 c. 16. Ефимов Б. П., Лукин К. А., Ракитянский В. А. О транс- формации спектра стохастических колебаний автогенера- тора под действием отражений // Журн. техн. физики. – 1988. – 58, № 12. – С. 2398-2400. 17. Kulik V. V., Lukin K. A., Rakityansky V. A. Autodyne effect in the Weak-Resonant BWO with chaotic dynamics // Int. Jour- nal of Infrared and Millimeter Waves. – 1998. – 19, Nо. 3. – P. 427-440. 18. Mogyla A. A., Lukin K. A., Shyian Yu. A. Relay-Type Noise Correlation Radar for the Measurement of Range and Vector Range Rate // Telecommunications and Radio Engineering. – 2002. – 57, Nо. 2/3. – Р. 175-183. 19. Lukin K. A., Mogyla A. A., Alexandrov Yu. A. Fast Correlator for Coherent Reception of Noise Radar Return in Real Time Scale // Proc. of the First International Workshop on the Noise Radar Technology, NRTW. – 2002. – Р. 157-164. 20. Балл Г. А. Аппаратурный корреляционный анализ случай- ных процессов. – М.: Энергия, 1968. – 160 с. 21. Korosteljov V. S., Lukin K. A., Pavlichenko O. S. et al. New Approach to Microwave Reflectometry: Correlation Reflec- tometry Via Stochastic Noise Signals // Proc. of the IAEA Technical Meeting on Microwave Reflectometry for Fusion Plasma. – 1992. 22. Korosteljov V.S., Lukin K.A., Pavlichenko O.S. et al. Correla- tion Reflectometry Via Stochastic Noise Signals // Proc. of the Int. Conference on Millimeter Wave and Far-Infrared Tech- nology, Beijing, China. – 1992. 23. Lukin K. A., Mogyla A. A., Alexandrov Y. A., Shiyan Y. A. Noise Radar Sensor for Collision Warning Systems // Applied Radio Electronics. – 2005. – 4, No. 1. – P. 47-53. 24. Лукин К. А., Могила А. А., Супрун Д. Ю. Моделирование импульсного шумового РСА // Радиотехника. – 2008. – вып. 152. – С. 184-192. 25. Tarchi D., Leva D., Lukin K. A. et al. Short range imaging applications noise radar technology // Proc. 3rd European Con- ference on Synthetic Aperture Radar. – 2000. – P 361-364. 26. Lukin K. A. Ground based noise-waveform-SAR for moni- toring of Chernobyl sarcophagus // Proc. Int. Radar Symp., IRS-2005. – P. 655-659. 27. Lukin K. A., Mogila A. A. Noise waveform SAR and differen- tial interferometry for detection of structural changes in Cher- nobyl sarcophagus // Proc. EUSAR 2006, 6th European Conf. Synthetic Aperture Radar. – 2006. 28. Lukin K. A., Mogyla A. A., Palamarchuk V. P., Vyplavin P. L. et al. Ka-band bistatic ground-based noise waveform SAR for short-range applications // IET Radar, Sonar and Navigation. – 2008. – 2, No. 4. – P. 233-243. 29. Lukin K. A. A Novel Approach to Scanning Antenna Design // Proc.4-th Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques, ICATT. – 2003. – 2. – Р. 290-293 30. Lukin K. A. Synthetic Aperture Scanning Antennas // Proc. 5-th European Conference on Synthetic Aperture Radar, EU- SAR2004 (May 25-27, Ulm, Germany). – 2004. – 2. – Р. 679- 672. 31. Lukin K. A. Sliding Antennas for Synthetic Aperture Radar // Applied Radio Electronics. Special Issue on Noise Radar Technology. – 2005. – 4, Nо.1. – P. 103-106. 32. Glamazdin V. V., Lukin K. A., Moreira J., Scresanov V. N. 2D Tape Scanner Antenna for Microwave Holography // Proc. 5-th Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques, ICATT’05. – 2005. – 2. – P. 250-253. 33. Lukin K. A., Mogyla A. A., Palamarchuk V. P. et al. Mea- surement of Shifts in Bell Tower of Sophia Cathedral Using Ka-band Noise Waveform SAR // Proc. of MRRS. – 2008. – P. 134-137. 34. Lukin K. A. Capability of Noise Radar Technology in Design for Airport Surveillance Sensors // Proc. of JISSA. – 2001. – P. 22-32. 35. Lukin K. A., Mogyla A. A., Galati G., Pavan G. Novel Con- cepts for Surface Movement Radar Design // Proc. of Tyrrhe- nian International Workshop ESAV. – 2008. – P. 120-125. 36. Кулик В. В., Лукин К. А. и Ракитянский В. А. Модифика- ция метода двойной спектральной обработки шумовых сигналов // Укр. метролог. журн. – 1997. – 4. – С. 28-32. 37. Mogyla A. A., Lukin K. A., Kulyk V. V. Statistical Errors of Ranging in the Spectral Interferometry Technique // Telecom- munications and Radio Engineering. – 2001. – 55. – Р. 10-11. 38. Lukin K. A., Kulyk V. V., Mogyla A. A. Spectral Interferometry Method and Autodyne (self-mixing). Effect for Noise Radar Applications // Proc. the first Int. Workshop on the Noise Ra- dar Technology, NRTW. – 2002. – Р. 179-186. MILLIMETER RANGE NOISE RADAR K. A. Lukin Main results of research and development on noise radar technology carried out in the Laboratory for Nonlinear Dynamics of Electron Systems are briefly described. Millimeter wave genera- tors of chaos used in the noise radar transmitters and fast correla- tion receivers are described. Various noise radars are briefly de- scribed, such as: car collision warning radar, pulse-coherent noise radar, ground based noise waveform (GB NW) SAR, etc. High resolution SAR images have been obtained and high accuracy and stability of detection of small shifts in the surface of monitored objects. Applicability of GB NW SAR to monitoring of large buildings aiming detection of structural changes has been ap- proved. Key words: dynamical chaos, noise radar technology monitoring. К. А. Лукин / Динамический хаос и шумовая… _________________________________________________________________________________________________________________ 358 ШУМОВА РАДІОЛОКАЦІЯ МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ К. О. Лукін Стисло викладено результати досліджень і розробок в області шумової радарної технології, виконаних у відділі нелінійної динаміки електронних систем. Описано генератори хаотичних сигналів мм діапазону, що використовуються у передавачах шумових радарів і широкосмугових кореляційних приймачах, а також шумові радарні системи різного призна- чення: радар попередження зіткнень, шумовий когерентно- імпульсний радар, наземний шумовий радар із синтезом апер- тури (РСА) та ін. Одержано когерентні РСА зображення з високим розрізненням, досягнута висока точність і стабіль- ність вимірювання малих зміщень на поверхні опромінюваних об'єктів. Показано можливість моніторингу великих будівель з метою реєстрації їх структурних змін. Ключові слова: динамічний хаос, шумова радіолока- ція, моніторинг. Рукопись поступила 12 октября 2008 г.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10784
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1028-821X
language	Russian
last_indexed	2025-11-30T10:05:34Z
publishDate	2008
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
record_format	dspace
spelling	Лукин, К.А. 2010-08-06T14:58:02Z 2010-08-06T14:58:02Z 2008 Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона / К.А. Лукин // Радіофізика та електроніка. — 2008. — Т. 13, спец. випуск. — С. 344-358. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10784 534.322.3:621.396.96 Кратко изложены результаты исследований и разработок в области шумовой радарной технологии, выполненных в отделе нелинейной динамики электронных систем. Описаны генераторы хаотических сигналов мм диапазона, используемые в передатчиках шумовых радаров, широкополосных корреляционных приемниках, а также шумовые радарные системы различного назначения: радар предупреждения столкновений, шумовой когерентно-импульсный радар, наземный шумовой радар с синтезированием апертуры (РСА) и др. Получены когерентные РСА изображения с высоким разрешением, достигнута высокая точность и стабильность измерения малых сдвигов на поверхности облучаемых объектов. Показана возможность мониторинга больших зданий с целью регистрации их структурных изменений. Стисло викладено результати досліджень і розробок в області шумової радарної технології, виконаних у відділі нелінійної динаміки електронних систем. Описано генератори хаотичних сигналів мм діапазону, що використовуються у передавачах шумових радарів і широкосмугових кореляційних приймачах, а також шумові радарні системи різного призначення: радар попередження зіткнень, шумовий когерентно-імпульсний радар, наземний шумовий радар із синтезом апертури (РСА) та ін. Одержано когерентні РСА зображення з високим розрізненням, досягнута висока точність і стабільність вимірювання малих зміщень на поверхні опромінюваних об'єктів. Показано можливість моніторингу великих будівель з метою реєстрації їх структурних змін. Main results of research and development on noise radar technology carried out in the Laboratory for Nonlinear Dynamics of Electron Systems are briefly described. Millimeter wave generators of chaos used in the noise radar transmitters and fast correlation receivers are described. Various noise radars are briefly described, such as: car collision warning radar, pulse-coherent noise radar, ground based noise waveform (GB NW) SAR, etc. High resolution SAR images have been obtained and high accuracy and stability of detection of small shifts in the surface of monitored objects. Applicability of GB NW SAR to monitoring of large buildings aiming detection of structural changes has been approved. В экспериментальных и теоретических исследованиях в области динамического хаоса, широкополосных цифроаналоговых корреляторов и шумовых радаров в разное время принимали участие сотрудники отдела: А. А. Могила, Ю. А. Александров, П. Л. Выплавин, О. В. Земляный, В. В. Кулик, В. П. Паламарчук, Ю. А. Шиян, Н. К. Заяц, В. Л. Вирченко, В. А. Ракитянский, Н. Коваленко, Р. Коваленко. Всем им автор выражает искреннюю благодарность и надеется на дальнейшее плодотворное сотрудничество. Автор также признателен сотрудникам ИРЭ В. Н. Скресанову, М. П. Натарову, А. И. Шубному и В. Гламаздину за существенный вклад в разработку антенн с синтезированием апертуры и блока микроконтроллерного управления радаром, а также О. Нечаеву и президенту фирмы «Лекис» (г. Киев) Б. С. Чернию за разработку и изготовление компонент приемо-передающей аппаратуры шумовых радаров. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона Шумова радіолокація міліметрового діапазону Millimeter range noise radar Article published earlier
spellingShingle	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона Лукин, К.А.
title	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона
title_alt	Шумова радіолокація міліметрового діапазону Millimeter range noise radar
title_full	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона
title_fullStr	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона
title_full_unstemmed	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона
title_short	Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона
title_sort	шумовая радиолокация миллиметрового диапазона
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10784
work_keys_str_mv	AT lukinka šumovaâradiolokaciâmillimetrovogodiapazona AT lukinka šumovaradíolokacíâmílímetrovogodíapazonu AT lukinka millimeterrangenoiseradar

Шумовая радиолокация миллиметрового диапазона

Institution

Similar Items