Искусственное радиоосвещение. Получение изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Петросян Манвел Мгерович

• Петросян Манвел Мгерович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Петросян Манвел Мгерович

Введение

Глава 1. Источники радиоосвещения

1.1. Введение

1.2. Состояние вопроса

1.3. Радиотепловой фон окружающей среды

1.4. Требования к источникам радиоосвещения

1.5. Выводы

Глава 2. Ячейка приемника радиосвета и ее применение

2.1. Введение

2.2. Природные светочувствительные элементы

2.3. Модель чувствительного элемента для радиосвета и накопление радиосвета

2.4. Ячейка приемника радиосвета [30, 31]

2.5. Эксперименты с ячейкой радиосвета

2.6. Выводы

Глава 3. Получение изображений в радиосвете

3.1. Введение

3.2. Экспериментальная установка и методология построения изображений

3.3. Изображения компактных объектов в радиоосвещенной среде

3.4. Разрешающая способность при получении изображений в радиосвете

3.5. Выводы

Глава 4. Перспективы развития средств и систем наблюдения на основе радиосвета

4.1. Введение

4.2. Многолучевые приемные приборы

4.3. Линза Ротмана

4.4. Использование малогабаритных роботов в задачах наблюдения за окружающим пространством

4.5. Выводы

Заключение

Список литературы

Введение

Основным каналом получения информации для человека является электромагнитное излучение - свет. Исторически слово «свет» долгое время означало исключительно свет, видимый глазом (помимо своего второго значения «мир»). Однако в 1800 году английский астроном Уильям Гершель заметил тепло, которое мог вызвать лишь свет, невидимый человеческому глазу. На основании этого Гершель сделал вывод о существовании в солнечном излучении компонент «незримого света». Так был открыт новый диапазон света - «инфракрасный свет».

В 1801 году немецкий физик и фармацевт Иоганн Вильгельм Риттер открыл еще один диапазон невидимого света - ультрафиолетовый.

Если заполнить весь электромагнитный спектр от низкой энергии и частоты до высокой энергии и частоты, получится, что у нас есть радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Даже после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучения способы изучать окружающий мир и, в частности, небо, изменились не сразу. Первый телескоп для наблюдения невидимой части электромагнитного спектра (радиотелескоп) построили лишь через 130 лет. К тому времени уже давно открыли и радиоволны, и рентгеновское излучение, и гамма-излучение, а Генрих Герц давно показал, что разные виды света отличаются на самом деле лишь частотой волны в каждой из полос спектра [1].

Важный клад в расширение концепции света внес А. С. Попов, который

начал заниматься исследованиями в области явлений, вызываемых токами

высокой частоты, с того времени, когда получили известность опыты Г. Герца

с электрическими колебаниями (1888 г.). Уже в 1889 г. он начал читать

публичные лекции под названием «Новейшие исследования о соотношении

между световыми и электрическими явлениями». Первая из них была

прочитана на собрании минных и других морских офицеров в Кронштадте. В

4

этой лекции он впервые указал на возможность использования электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние.

С точки зрения темы данной диссертации важно, что взаимосвязь между светом и радиоволнами была осознана Поповым на основе новейших достижений электродинамики того времени за несколько лет до изобретения им надежно работающего возбудителя электромагнитных колебаний и радиоприемника. Одна из трех частей лекции называлась «Передача электрических колебаний в однородной непроводящей среде - электрические лучи, поляризация, отражение и преломление электрических лучей».

В диссертации рассматривается свет в радиодиапазоне - «радиосвет». Близкую терминологию в отношении излучения радиодиапазона использовал С.И. Вавилов. Так в [2] он писал: «...Те электрические волны, которые излучаются радиостанциями, также распространяются со скоростью 300 000 км/с и обладают периодичностью; стало быть, и они должны рассматриваться как световые волны..». «Световая» терминология встречается по отношению к электромагнитному излучению микроволнового и радиодиапазона и у других авторов [3,4].

В качестве источников светового излучения часто выступают естественные источники, например, солнце или собственное тепловое излучение. Характерной чертой такого света является его некогерентность и шумовой характер. Некогерентность свойственна тепловому электромагнитному излучению естественных источников и в других участках спектра.

Под радиосветом будем понимать искусственно созданное шумовое (шумоподобное) поле широкополосного (сверхширокополосного) некогерентного в пространстве и во времени излучения в радио или микроволновом диапазоне длин волн.

Радиоосвещение создается с помощью одного или нескольких источников широкополосного или сверхширокополосного (СШП) некогерентного микроволнового излучения - источников радиосвета [5-7]. Попадая на

5

близлежащие поверхности и предметы, радиосвет частично поглощается в них, частично проходит через них и частично отражается. Тем самым, распространяясь далее, он несет в себе информацию о среде, с которой взаимодействует. Отличие радиосвета от света видимого диапазона заключается в том, что это другой частотный диапазон и другие законы взаимодействия со средой. Принципиальной особенностью радиосвета по отношению к обычному свету является разница в характерном диапазоне частот (примерно на пять порядков) для света и радиосвета, позволяя извлекать информацию об окружающей среде, недоступную для света в видимом диапазоне частот.

Для того, чтобы в полной мере реализовать концепцию радиосвета, необходимы подходящие источники радиосвета. Исследования в направлении создания эффективных малогабаритных источников микроволнового радиоосвещения в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН привели в 2016 году к разработке ламп радиосвета, в которых в качестве источников шумоподобного СШП излучения используются генераторы хаотических колебаний [5-8].

Имея источники радиосвета, можно освещать отдельные области пространства и тем самым создавать предпосылки для наблюдения этих областей, включая и объекты, находящиеся в них.

Но создание источников радиосвета - только часть задачи. Для извлечения информации об объектах, находящихся в зоне радиоосвещения, нужны специальные приборы или системы таких приборов.

Данная работа посвящена исследованию радиосвета с целью его использования для получения информации об окружающей среде. В частности, предлагаются способы и методы приёма радиосвета, возможные сценарии его применения, получение изображений в радиосвете и перспективы развития средств и систем наблюдения на основе радиосвета.

Диссертация выполнена в рамках работ по исследованию радиосвета и его

приложений, проводимых в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, где автор

является одним из основных участников группы, развивающей данное

6

направление. Ход и результаты этих исследований оказали важное влияние при формулировании темы диссертации и ее конкретных задач.

Актуальность работы определяется большим интересом к средствам наблюдения в микроволновом диапазоне за окружающей средой в задачах обеспечения безопасности, обнаружения объектов, скрытых за непрозрачными для видимого света препятствиями, создания систем технического зрения для роботов и для беспилотных автомобилей.

Цель работы состоит в исследовании возможностей применения радиосвета в задачах наблюдения за окружающей средой, включая анализ и формулировку требований к источникам радиосвета, анализ принципов приема радиосвета, экспериментальное исследование приема радиосвета, разработку средств для получения изображений в радиосвете.

Основные задачи, решаемые в работе

• формулировка требований к шумовым/шумоподобным источникам излучения, которые могут использоваться в качестве источников радиосвета;

• определение путей создания приемника радиосвета, разработка математической модели приемника радиосвета, численное моделирование радиометрического способа накопления сигнала в приемнике радиосвета для повышения его чувствительности;

• создание экспериментальной установки на основе приемника радиосвета и ламп радиосвета для изучения возможности получения изображений в радиосвете;

• теоретическая и экспериментальная оценка разрешающей способности при получении изображений в радиосвете;

• разработка принципов создания эффективных систем наблюдения в радиосвете.

Научная новизна результатов заключается в том, что:

• разработана и исследована теоретическая модель ячейки приемника радиосвета;

• впервые проведены эксперименты по приему радиосвета, показано, что уровень мощности поступающего в приемник радиосвета чувствителен к движению тел в радиоосвещенной среде, показано, что изменение уровня радиосвета в закрытых помещениях при изменении расстояния между приемником и источником радиосвета происходит без интерференционных эффектов;

• продемонстрирована возможность получения изображения радиоосвещенной среды и объектов, находящихся в этих средах;

• показана принципиальная возможность создания систем радиовидения на основе радиосвета;

• предложены и проанализированы два подхода к созданию эффективных средств наблюдения за окружающей средой на основе радиосвета.

Достоверность результатов подтверждается соответствием расчетов и оценок, полученных и используемых автором, теоретическим положениям, известным из литературы, соответствием результатов теоретических расчетов результатам экспериментальных исследований, характеристиками разработанных аппаратных и программных решений.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

• принцип создания ячейки приемника радиосвета, основанный на определении интегральной энергии радиосвета, поступающей в приемник за фиксированный интервал времени;

• анализ характера изменения мощности поступающего на приемник радиосвета при изменении расстояния между источником и приемником радиосвета, а также анализ изменения освещенности среды при наличии в ней двигающихся объектов;

• получение изображений в радиосвете на основе измерения распределения уровня радиоосвещенности путем сканирования пространства лучом антенны с узкой диаграммой направленности;

• результаты анализа влияния формы и материала объектов на их изображения в радиосвете;

• экспериментальные макеты систем наблюдения в радиосвете на основе мобильных групп роботов и многолучевых приемных систем.

Научно-практическое значение полученных результатов заключается в том, что впервые проведен комплекс работ, в котором экспериментально доказана возможность и перспективность использования концепции радиосвета для наблюдения за окружающим пространством и разработан ряд технических решений, которые могут быть использованы при разработке и создании систем наблюдения за окружающей средой в радиосвете.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Искусственное радиоосвещение. Получение изображений»

Апробация работы

Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных и российских научных конференциях: VIII, IX и X Всероссийских Армандовских чтениях, (Муром, Россия, 2018, 2019,20), Докладах 11,12,13 Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, Россия, 2017, 2018, 2019), XVIII и Х!Х-ой научных школах «Нелинейные волны» (Н. Новгород, Россия, 2018, 2020), Докладах 28, 29 и 30 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Россия, 2018, 2019, 2020), 38-ом международном симпозиуме «Достижения в электромагнитных исследованиях PIERS'2017» (Санкт-Петербург, Россия, 2017), 9-ой межд. конф. «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации ARMIMP-2017» (Суздаль, Россия, 2017), 2-й межд. конф. «Проектирование будущего. Проблемы цифровой реальности» (Москва, Россия, 2019), «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях СИНХРОИНФО 2019» (Ярославль, Россия, 2019), Всероссийской с международным участием молодежная научно-практическая конференции и выставки «Радиотехнические системы» (Ярославль, Россия, 2019)

По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 19 работ в трудах научных конференций.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в участии в постановке научных задач, определении методов и подходов к их решению, проведении части расчётов и компьютерного моделирования, в подготовке и проведении экспериментов. Все вошедшие в диссертацию результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Содержит 132 страницы, 59 рисунка, 1 таблицы. Список цитированной литературы содержит 77 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту, и краткое содержание работы.

В Первой главе рассматривается концепция некогерентного (шумоподобного) излучения в радио и СВЧ диапазоне для наблюдения окружающего пространства от А.С. Попова и С.И. Вавилова до наших дней (радиометрические методы наблюдения из космоса, в медицине и др.).

Особое внимание уделяется работам И. Поливки, где представлена аналогия между видимым (в том числе белым светом) и шумовым широкополосным излучением в радиодиапазоне, а также предложены эксперименты по использованию такого типа излучения.

Проведен обзор существовавших до наших работ источников шумового радиоизлучения.

Рассмотрено понятие радиосвета с точки зрения создания перспективных систем наблюдения.

На основе анализа литературы и теоретических оценок сформулированы требования к искусственным микроволновым шумовым/шумоподобным источникам, предназначенным для радиоосвещения окружающей среды с целью ее последующего наблюдения в радиосвете.

Кратко описана лампа радиосвета, разработанная в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, ее характеристики и возможности для создания радиоосвещения.

Для того, чтобы наблюдать за окружающей средой в радиосвете нужны не только источники радиосвета, но и приемники.

Вторая глава диссертации посвящена созданию ячейки приемника радиосвета и ее применению.

С этой целью сделан краткий обзор «природных» систем наблюдения за окружающим пространством при помощи света видимого и инфракрасного диапазона - глаз животных.

Проведен анализ потенциальных возможностей использования радиосвета для наблюдения за окружающим пространством. Показано, что первым шагом в этом направлении является, по аналогии с колбочками глаз животных, создание чувствительной ячейки радиосвета. Построена и исследована математическая модель такого элементарного приемника.

В главе предложена математическая модель приемника радиосвета на базе энергетического приемника с логарифмическим детектором и компенсационного радиометра, которая описывается системой дифференциальных уравнений

Vi + /Л + = tolKS(t) (1)

V± + Y2V2 + = «2lg(1 + K12(t)) где S(t) - сумма принятого антенной сигнала и теплового шума во входном тракте приемника; у1, у2 - коэффициенты затухания; ю1 = 2лД/, ю1 = 2пДй -частоты среза входного и выходного фильтра соответственно, K -коэффициент усиления усилителя.

На основе этой модели было проведено численное моделирование для оценки эффективности применения накопления сигнала для повышения пороговой чувствительности приемника радиосвета. В результате показано, что чувствительность моделируемого приёмника аналогична чувствительности радиометров на базе квадратичных детекторов с точностью до коэффициента:

АР = ^Ц (2)

где ¿-коэффициент, зависящий от типа приемника; Тп - температура приемника; т - время накопления сигнала (постоянная интегрирования фильтра нижних частот); Лf - рабочий диапазон частот.

На основе проведенных исследований в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН была создана ячейка приемника радиосвета. Ячейка имеет динамический диапазон от -20 до -85 дБм (при времени накопления сигнала 0.1 с), полосу приема 3-5 ГГц, габариты 50х35х10 мм, возможность подключения к ПК по USB для передачи данных.

Предложено использование разработанной ячейки для создания датчиков движения, в том числе в условиях отсутствия освещения в видимом диапазоне света. Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментального исследования возможности построения датчиков движения на основе использования радиосвета, включающий в себя источники шумоподобного СШП излучения в диапазоне частот 3-5 ГГц (лампы радиосвета), ячейку приемника радиосвета, ноутбук и специально разработанное программное обеспечение. Проведены эксперименты по фиксации движения человека в поле радиосвета между источником и приемником, показавшие, что флуктуации приемного сигнала при перемещении объекта наблюдения лежат в диапазоне от десятых долей до единиц децибел, что в принципе достаточно для использования подобного устройств в качестве датчиков движения.

Создание и исследование ячейки радиосвета заложило основу для построения систем наблюдения с пространственным разрешением на основе радиосвета.

В ходе проведенных экспериментов подтверждено отсутствие интерференционных эффектов, свойственных системам с узкополосным излучением.

Третья глава посвящена получению изображений в радиосвете. В начале главы проводится обзор и анализ работ, посвящённых системам наблюдения в радио и микроволновом диапазоне частот. Отмечаются достоинства и недостатки классических методов получения информации об окружающей среде с помощью микроволнового излучения. Определяется круг задач, в которых использование систем на основе радиоосвещения может быть предпочтительнее.

Для проведения исследований по получению изображений в радиосвете создана экспериментальная установка, включающая в себя ячейку радиосвета, специально разработанную СШП направленную зеркальную антенну с рупорным облучателем, персональный компьютер и созданное для проведения измерений программное обеспечение.

Приемный комплекс предназначен для работы с источниками радиосвета в диапазоне 3-5 ГГц.

Ширина диаграммы направленности антенны по мощности и уровню -3 дБ для такого СШП сигнала составила около 10 градусов в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Пространственная картина радиоосвещенной области создавалась в результате сканирования интересующей области лучом антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Изображение строилось на основе значений принятой мощности сигнала для всех пар углов из заданной прямоугольной области.

Эксперименты проводились в конференц-зале ИРЭ им. В. А. Котельникова

РАН (размер помещения 18х10 м). Сначала было получено изображение зала

без искусственных источников радиоосвещения, что позволило оценить

13

фоновый уровень освещенности, создаваемой другими источниками радиоизлучения (тепловое излучение, сотовые станции, Wi-Fi роутеры и др.). В результате экспериментов было установлено, что средняя освещенность зала составила -73 дБм, минимальная -83 дБм, а также наблюдались области с яркостью до -60 дБм.

На следующем этапе зал был освещен одним источником радиосвета. Он размещался в противоположном конце зала так, что расстояние до антенны приёмника составляло 10 м. В результате эксперимента наблюдалось увеличение минимального уровня освещённости зала до -65 дБм, среднего -до -60 дБм, на месте расположения лампы наблюдалось пятно с яркостью в максимуме до -40 дБм.

Некогерентность радиосвета позволяет использовать несколько ламп для освещения области пространства аналогично источникам света видимого диапазона. Для проверки этой возможности были проведены эксперименты в тех же условиях, что и в предыдущей серии, с той разницей, что вместо одной лампы использовались шесть одновременно работающих ламп радиосвета. Они были установлены в стандартных патронах осветительных люстр зала. Люстры расположены над полом на высоте примерно 3 м.

На полученном изображении лампы создали области яркой освещенности вокруг люстр, обусловленные их сложной рассеивающей геометрией.

Мощность, отображаемая в пикселях рисунка, варьируется от -18 дБм в центре до -35 дБм на границе этих ярких областей. В остальных точках получилось достаточно равномерное световое освещение, варьирующееся в диапазоне от -40 дБм до -38 дБм. При включенных лампах освещенность в точке приема выросла в среднем более чем на 30 дБ по отношению к фоновому уровню. Это говорит о наличии достаточного энергетического запаса для наблюдения объектов в отражённом радиосвете, что позволяет перейти к экспериментам по получению изображений в радиосвете объектов с разными электромагнитными свойствами и изучению их характеристик.

При выборе объектов исследования обращалось внимание на их размер, форму и электромагнитные свойства. Были выбраны: куб, покрытый металлической фольгой; кювета с водой; плюшевый поролоновый медведь и листы из радиопоглощающего материала. Предварительно перед внесением объекта в зону получения изображения производилось измерение фонового изображения, чтобы зафиксировать изменение, вносимое объектом.

Получены отклики (изображения) упомянутых выше предметов на расстояниях, близких к границе между дальней зоной и зоной Френеля.

Экспериментально продемонстрирована возможность получения изображений предметов, находящихся за препятствием на примере кирпичной стены толщиной 30 см. Показано, что при дополнительном затухании 6-8 дБ обеспечивается надежное получение изображений практически без ухудшения качества.

Для того, чтобы создать систему радиовидения на основе радиосвета, необходимо удовлетворять требованиям по разрешающей способности и возможности визуализировать контуры наблюдаемых объектов. Эксперименты, проведенные ранее, показали возможность фиксации контуров наблюдаемых объектов на получаемом изображении. Далее были проведены эксперименты для оценки разрешающей способности.

При соответствующей настройке антенны приемника измерительного комплекса проведены эксперименты по получению изображений объектов в зоне Френеля в свободном пространстве, была достигнута разрешающая способность 7-10 см, что примерно соответствует длине волны радиосвета.

Исследования, проведенные в предыдущих главах, показали научно -техническую обоснованность использования радиосвета для создания наблюдательных систем.

В третьей главе для формирования изображения в радиосвете производилось механическое сканирование узким лучом антенны, однако этот способ мало пригоден для реальных систем наблюдения в силу своей низкой производительности.

Четвертая глава посвящена разработке перспективных способов наблюдения за окружающей средой в радиосвете. В качестве этих способов рассматривается возможность применения многолучевых приемных приборов и распределенный приемник, состоящий из независимых ячеек приемника радиосвета, расположенных на мобильных роботах.

Использование многолучевых приемных систем в качестве наблюдательных приборов в радиосвете позволит одновременно наблюдать за несколькими областями среды, снижая временные затраты на сканирование интересующей области. Радиосвет имеет быстроспадающую функцию автокорреляции, время автокорреляции которой равно величине, обратной ширине полосы радиосвета. Поэтому для формирования диаграммы необходимо создавать временные задержки между элементами антенной решетки так, чтобы для заданного направления сигнал суммировался в пределах времени автокорреляции.

Для создания многолучевой наблюдательной системы необходима диаграммообразующая система (ДОС). Существуют три основных типа ДОС: цифровые, матричные и линзовые. Исходя из соображений простоты реализации, была выбрана линзовая ДОС. В качестве линзы была выбрана линза Ротмана по причине простоты её реализации в печатных платах и возможности её дальнейшей интеграции как с антеннами, так и с приемниками радиосвета. Был разработан и реализован макет линзы Ротмана с 7 лучами, полосой 3-5 ГГц, сектором сканирования 60 градусов, имеющий размер 20х20 см.

С разработанным макетом были проведены эксперименты, подтверждающие возможность формирования лучей с заданным угловым сдвигом. Ширина диаграмм направленностей, полученных в результате эксперимента по приему радиосвета в полосе 3-5 ГГц по уровню -3 дБ равна 22 градусов.

Еще одним способом наблюдения за радиоосвещенной средой может

являться система из независимых ячеек приемников радиосвета,

расположенных на мобильных роботах, данные которых можно комбинировать и реализовывать таким образом распределённый приемник.

Приемники радиосвета, расположенные на компактных роботах, могут быть реализованы как с всенаправленными антеннами, так и с многолучевыми направленными антеннами. Такие мобильные роботы могут выполнять задачи измерения распределения освещенности среды, детектирования двигающихся объектов и, в том числе использовать данные по освещенности среды для собственного позиционирования. Для реализации такого распределённого приемника и взаимодействия мобильных групп роботов необходимы, в том числе, надежные системы связи, способные в реальном времени менять свою топологию в зависимости от перемещения роботов и обеспечивающие разделение каналов передачи данных для защиты от коллизий в многоэлементной системе. Для решения задачи создания беспроводной сети, размещенной на мобильных роботах, предлагается использовать СШП прямохаотические системы связи по причине устойчивости такого типа сигнала к многолучевому распространению, что важно для обеспечения надежной коммуникации. С этой целю была разработана система связи для обеспечения канала передачи данных между роботами и базовой станицей, проанализированы её временные характеристики.

В Заключении суммируются полученные результаты и делаются выводы.

Глава 1. Источники радиоосвещения

1.1. Введение

Естественное тепловое некогерентное микроволновое излучение интенсивно используется во многих областях человеческой деятельности. Развитие радиоастрономии позволило увидеть реликтовое излучение, обнаружить «радиозвезды» - квазары, исследовать поверхности соседних планет, исследовать слои солнца [9].

Измеряя распределение яркостной температуры, можно исследовать Землю [10,11]. На принимаемую антенной яркостную температуру влияет влажность почвогрунтов, степень солености и волнения водной поверхности, разная структура ледяного и снежного покрова. Устанавливая радиометрические приемники на летательных аппаратах и на спутниках, можно оценить параметры атмосферы, распределение облаков, построить карту поверхности земли по средам. Несмотря на то, что результаты таких измерений уступают по точности локальным измерительным приборам, такой способ позволяет получать данные по достаточно большим территориям и в труднодоступных районах [10].

Естественное тепловое излучение тел можно использовать и для исследования наземных живых объектов - людей [12,13]. Исследования, проведенные в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, показали, что на основе приема собственного «света» человеческого тела возможно проводить диагностику состояния внутренних органов человека.

Было показано, что активация внутренних органов или выполнение

определенных умственных задач сопровождаются изменением температуры в

функциональных участках мозга в пределах ~1 К, что позволяет использовать

эти данные для диагностики внутреннего состояния человека. В том числе

было показано, что в сантиметровом и миллиметровом диапазоне частот

свечение тканей организма на три порядка выше по сравнению с

18

дециметровым диапазоном. Наблюдение в миллиметровом диапазоне позволило проводить наблюдение бесконтактно, даже под одеждой [13].

Хотя некогерентное микроволновое излучение, порождаемое естественными процессами, активно используется в различных областях, идея наблюдения с помощью локальных искусственных источников шумового/шумоподобного микроволнового излучения, подобных осветительным приборам в видимом диапазоне электромагнитного спектра, не распространена и не развита.

Искусственные шумовые источники излучения имеют много общих характеристик с источниками освещения видимого диапазона частот. И первый, и второй являются источниками широкополосных, шумовых сигналов с быстро спадающей автокорреляционной функцией, их можно использовать для создания гладкой подсветки в местах с недостаточной освещенностью в целях дальнейшего наблюдения за этими областями. Такой подход по использованию микроволновых шумовых/шумоподобных источников излучения по прямой аналогии с источниками видимого света был предложен в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН [5-7], а сама концепция получила название «радиосвет» [5-7].

1.2. Состояние вопроса

Использование микроволнового шумового излучения по некоторой

аналогии с обычным светом рассматривалось Иржи Поливкой [14-17,19]. Он

разработал различные подходы использования шумовых сигналов для

исследовательских и практических задач. В работе [14], посвященной

искусственным шумовым источникам микроволнового диапазона, он изучал

возможность получения полезной информации об исследуемом объекте,

расположив его между источником шумового излучения и радиометрическим

приёмником с направленной антенной. Сканирование объекта происходило

путем изменения углов между источником и приемником, это позволило

19

извлекать информацию о проходимости сигнала через объект, либо об отражающей способности объекта. Он показал, что по причине шумового, некогерентного характера излучения и, следовательно, отсутствия интерференционных эффектов, суммарный сигнал получаемый на входе приемника в большей степени зависит от свойств исследуемого объекта, чем от близлежащих к экспериментальной установке посторенних объектов.

На основе этого способа были разработаны устройства для получения информации об объектах [15, 16].

Аналогия между микроволновым шумовым излучением и видимым светом была использована еще одним способом: для создания установки микроволновой когерентной томографии [17]. Такая установка является аналогом оптической когерентной томографии (ОКТ).

Важным фактором развития идеи использования шумовых/шумоподобных источников является наличие эффективных и компактных источников такого излучения.

В микроволновой технике используются два типа источников шума: газоразрядные трубки и полупроводниковые pn-диоды. Их основным параметром является коэффициент избыточности шума (КИШ, excess noise ratio - ENR), который определяется как отношение сгенерированной мощности шума к мощности шума резистора, согласованного с конкретной линией передачи, при температуре окружающей среды 290° К, и измеряется в дБ. При непрерывной генерации газоразрядные трубки имеют типичный КИШ 15 дБ, значение КИШ для шумовых диодов достигает 30 дБ [18]. Источники на основе шумовых диодов могут работать до 300 ГГц. В полосе 1 ГГц интегральная мощность излучения не превышает -54 дБм. Такой уровень излучения ограничивает применимость этих источников.

В работе [19] было предложено одновременное использование множества

шумовых источников для получения точечного источника большей мощности,

чем при использовании одиночного диода. Подобно источникам видимого

света, из-за некогерентного характера и взаимной независимости шумовых

20

источников их излучение должно складываться по мощности, исключая при этом интерференционные эффекты. В качестве элемента в решетке были использованы шумовые диоды с дипольными излучателями. Эксперимент показал увеличение принимаемой мощности на 7 дБ при использовании 9 одновременно работающих шумовых диодов.

В рамках решения вопроса создания эффективных микроволновых шумовых/шумоподобных источников излучения в ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН разрабатывались и развивались теоретические и прикладные вопросы генераторов хаотических колебаний, которые можно использовать как такие источники. Эти устройства прошли долгий путь эволюции от вакуумных приборов, использующих естественное запаздывание в распределенных системах, к полупроводниковым устройствам с распределенными колебательными системами на основе микрополосков и далее к полупроводниковым устройствам с колебательными системами на элементах с сосредоточенными параметрами [5-8, 20-22].

На основе этих генераторов была разработана лампа радиосвета. В соответствии с концепцией радиосвета, рассмотренной выше, радиосвет -искусственно созданное шумовое (шумоподобное) поле широкополосного (сверхширокополосного) некогерентного в пространстве и во времени излучения в радио или микроволновом диапазоне длин волн [5-7].

Источники радиоосвещения на основе микрогенераторов хаоса можно рассматривать как аналог светодиодов белого свечения. Важное общее свойство микрогенераторов динамического хаоса и светодиодов -некогерентность генерируемого сигнала. Это свойство обеспечивает равномерную (без интерференции) засветку окружающей среды. Другой важной общей чертой светодиодов и микросхем генераторов хаоса, является сходство электрических характеристик: оба устройства низковольтные и могут быть применены как поодиночке, так и виде последовательных и параллельных сборок, в том числе в целях увеличения мощности или распределения излучения по пространству.

Шумоподобные источники на основе генераторов хаоса в полосе 3-5 ГГц имеют интегральную мощность от -5 дБм (в случае реализации в виде интегральных микросхем) и до 20 дБм и выше (в реализациях на элементах с сосредоточенными элементами).

С точки зрения использования источников шумового/шумоподобного микроволнового излучения в задаче радиоосвещения ключевыми характеристиками являются мощность излучения и их характерные размеры. Поэтому необходимо получить оценку минимальной мощности излучения, требуемой для задач наблюдения за окружающей средой в радиосвете.

1.3. Радиотепловой фон окружающей среды

Чтобы оценить необходимый уровень мощности источников шумового/шумоподобного излучения микроволнового диапазона, которые могут быть использованы в качестве источников радиосвета для задач наблюдения за окружающей средой и объектами в ней, необходимо оценить уровень теплового излучения окружающей среды.

Все объекты, имеющие температуру выше 0о К излучают шумовые электромагнитное волны и являются источниками освещения. Энергетической единицей, по которой измеряется поток энергии от этих объектов, является интенсивность излучения I (Вт м-2 Гц-1 стер-1) [10], которая соответствует мощности, излучаемой с поверхности йя в телесный угол йО, в интервале частот / Для абсолютно черного тела зависимость интенсивности излучения от температуры описывается формулой Планка:

ОЛ)

с2е(кьТ 1

где к - постоянная планка, с - скорость света в вакууме, кь - постоянная

Больцмана, / - частота излучения, температура тела. Формула Планка

22

справедлива для всего диапазона частот. Для частот, удовлетворяющих условию И/ << кьТ (дециметровые, сантиметровые, миллиметровые), можно использовать уравнение Релея - Джинса:

_ 2/2кьТ _ 2кьТ

С2 =7,2 . (1.2)

Для реальных объектов интенсивность I при определенной температуре меньше интенсивности излучения абсолютного черного тела 1а с такой же температурой. Для описания излучения реального объекта вводится понятие яркостной температуры Ти. Яркостная температура соответствует наблюдаемой интенсивности излучения реального тела и меньше его физической температуры. Для каждого тела соотношение яркостной температуры и физической задается коэффициентом излучения ж = I / 1а = Ти / Т.

Для расчета мощности теплового излучения от окружающей среды на входе приемника необходимо оценить, как это излучение принимается антенной. Прием теплового излучения от окружающих объектов происходит антенной системой, которая трансформирует электромагнитную энергию в моды электромагнитных волн, распространяющихся в линии передач приемника. При этом антенну, подключенную к линии передач, рассматривают как резистор с физической температурой Та [23], которая выделяет на согласованную нагрузку усилителя приемника мощность Ша, равную:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петросян Манвел Мгерович, 2020 год

Список литературы

1. Тайсон Н.Д. Астрофизика с космической скоростью. М.: Изд. АСТ. 2018. 235 с.

2. Вавилов С.И. Глаз и солнце. С-Пб.: Амфора 2006. 334 с.

3. Спиридонов О.П. Свет. Физика. Информация. Жизнь - М.: Ленанд, 2015. 218 с.

4. Polivka J., Fiala P., Machac J. // Progress in Electromagnetics Research. 2011. V. 111. P. 311.

5. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., М.Ю. Герасимов М.Ю., В.В. Ицков В.В. // РЭ. 2016. Т. 61. № 11. С. 1-11.

6. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В. // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. № 24. С. 49-57.

7. Dmitriev A.S., Efremova E.V. // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2017. V. 20, No. 2, P. 133 - 143

8. Ефремова Е.В. // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44. № 9. С. 26-33.

9. Железняков В.В. Радиоизлучение Солнца и планет, М., 1964.

10. Кутуза Б.Г., Данилычев М.В., Яковлев О.И. Спутниковый мониторинг Земли: микроволновая радиометрия атмосферы и поверхности. М.: URSS, 2015.

11. Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986.

12. Гуляев Ю.В. Физические поля и излучения человека. Новые неинвазивные методы медицинской диагностики. М.: РБОФ "Знание" им. С. И. Вавилова, 2009.

13. Годик Э.Э. Загадка экстрасенсов: что увидели физики: Человек в собственном свете. — М.: АСТ-ПРЕСС, 2010. — 128 с., (Наука и мир).

14. Polivka J. Noise Can Be Good, Too // Microwave Journal, March 2004, pp.66-78.

15. Polivka J. Microwave Radiometry in Measuring Sand Moisture // 3rd International Workshop on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, Athens, GA, April 11-13, 1999.

16. Polivka J. An Overview of Microwave Sensor Technology // High Frequency Electronics, April 2007, pp. 32-42.

17. Polivka J. Experiments with microwave coherence tomography //Part 1, High Frequency Electronics, Vol. 5, 36-40, July 2006. Part 2, // High Frequency Electronics, Vol. 5, 36-43, August 2006.

18. Серия шумовых диодов Noisecom. NC100/200/300/400 http://evitek.ru/catalog/noisecom/istochniki-shuma/shumovye-diody/seriya-shumovyh-diodovnoisecom-_16294. html.

19. Polivka J. Microwave noise radiators. International Journal of Infrared and Millimeter Waves // INT J INFRAR MILLIM WAVE. 18. 2403-2410. 10.1007/BF02678400.

20. Кислов В. Я., Залогин Н. Н., Мясин Е. А. // РЭ. 1979. Т. 24. № 6. С. 1118.

21. Безручко Б. П., Кузнецов С. П., Трубецков Д. И. // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 29. № 3. С. 180.

22. Анисимова Ю. В., Дмитриев А. С., Залогин Н. Н. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 37. № 8. С. 387.

23. Шарков Е. А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы. В 2 томах. Т 1. М: ИКИ РАН, 2014.

24. Кацнелъсон В. З., Тимченко Н. И., Волков В. В. Основы радиолокации и импульсной техники - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 335 с. : ил.; 22 см.

25. Смит К.Ю.М. Биология сенсорных систем. М.: БИНОМ. 2013. 583 с. (Smith C.U.M. Biology of Sensory Systems. Wiley. 2009. 554 p.)

26. Garm A., Nilsson D.-E. // Proc. R. Soc. 2014. B 281: 20133011.

27. Sichert A.B., Friedel P., Leo van Hemmen J. // PRL. 2006. V. 97. P. 068105.

28. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений - Издание 3-е, исправленное и дополненное. - М. : Техносфера, 2012. - 1104 с.

29. Дмитриев А.С., Кикот А.М., Петросян М.М. Mодель чувствительного элемента для радиосвета // Физические основы приборостроения. 2016. т. 5, №3 (20), с. 18-28.

30. Гуляев Ю.В., Дмитриев А.С., Ицков В.В., Петросян М.М., Рыжов А.И., Уваров А.В. Экспериментальная ячейка приемника радиосвета. // Журнал технической физики. 2018г. 44. 81. 10.21883/PJTF.2018.21.46859.17115.

31. Гуляев Ю.В., Дмитриев А.С., Ицков В.В., Петросян М.М., Рыжов А.И., Уваров А.В. Ячейка приемника радиосвета // Радиотехника и электроника. 2018, т. 63, № 9, с. 1-7.

32. Armand N.A., Polyakov V.M. Radio Propagation and Remote Sensing of the Environment // Boca Raton: CRC Press, 2005.

33. Гуляев Ю.В., Дмитриев А.С., Лазарев В.А и др. // РЭ. T. 61. № 8. С. 765.

34. Левин Б. Р. Tеоретические основы статистической радиотехники. — 3-е над.., перераб. и доп. — M.: Радио и связь, 1989. — 656 с.

35. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры. M: Mир, 1982. 592 с.

36. Ивашов C.B., Бугаев А.С. Использование генераторов шума в радиометрических системах для обнаружения скрытых объектов // Радиотехника и электроника. 2013, т. 58, № 9, с. 935-942

37. Ivashov S. I., Bugaev A. S., Turk A. S., Zhuravlev A. V. An algorithm for detection of hidden objects by passive/active radiometer // IET International Radar Conference 2013, Xi'an, 2013, pp. 1-5, doi: 10.1049/cp.2013.0262.

38. Гладун В.В., Котов А.В., Криворучко В.И., Павлов Р.А., Пирогов Ю.А., Тищенко Д.А. Система ближнего пассивного радиовидения 3-мм диапазона // Журнал Радиоэлектроники. - 2010. - № 07.

39. Чубинский Н.П. Использование фокусирующих устройств в задачах радиовидения // V Всероссийские Армандовские чтения. Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред -Mатериалы конференции. с. 4051: Изд.-полиграф. Центр MИ ВлГУ. Mуром, 29.06. - 1.07.2015 г.

40. Клоков А. В., Юрченко В. И., Шипилов С. Э., Якубов В. П. Разработка

системы технического зрения для роботов на основе радиовидения с

128

использованием фокусирующих линз Люнеберга. // Труды СПИИРАН, 2(45), 130-140. 2016 г.

41. Клоков А. В., Юрченко В. И., Шипилов С. Э., Якубов В. П. Радиотехнические системы радиовидения с использованием фокусирующих линз Люнеберга // Труды XIII Международной Научно- Технической конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП -2016, в 12 томах, Том 12 Новосибирск 2016. - С. 75-78.

42. Shipilov S.E., Satarov R.N., Yakubov V.P. et al. Ultra-wideband radio tomographic imaging with resolution near the diffraction limit // Opt Quant Electron 49, 339 (2017).

43. Сатаров Р. Н., Кузъменко И. Ю., Муксунов Т. Р. и др. Коммутируемая сверхширокополосная антенная решетка для радиотомографии // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55, № 8. С. 26-30.

44. Adib F., Kabelac Z., Katabi D., Miller R. 3D Tracking via Body Radio Reflections // Usenix NSDI (2013).

45. Adib F., Hsu Ch., Mao H., Katabi D., Durand F. Capturing the human figure through a wall // ACM Trans. Graph. 34, 6, Article 219 (November 2015), 13 pages.

46. Chetty K., Smith G. E., Woodbridge K. Through-the-Wall Sensing of Personnel Using Passive Bistatic WiFi Radar at Standoff Distances // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 50, no. 4, pp. 1218-1226, April 2012. 39

47. Mostofi Y. Cooperative Wireless-Based Obstacle/Object Mapping and See-Through Capabilities in Robotic Networks // IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 12, no. 5, pp. 817-829, May 2013, doi: 10.1109/TMC.2012.32.

48. Depatla S., Karanam C. R., Mostofi Y. Robotic Through-Wall Imaging: Radio-Frequency Imaging Possibilities with Unmanned Vehicles // IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 59, no. 5, pp. 47-60, Oct. 2017.

49. Калиничев В.И., Калошин В.А., Пангонис Л.И. // Труды III Всерос. конф. «Радиолокация и радиосвязь», М., 2009 г., С.101-104.

50. Дмитриев А.С., Ицков В.В., Петросян М.М., Попов М.Г., Рыжов А.И. Искусственное радиоосвещение: источники, приемники и получение изображений // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 3(29). С. 50-63. DOI: 10.25210/jfop-1803-050063.

51. Дмитриев А.С., Ицков В.В., Петросян М.М., Попов М.Г., Рыжов А.И. Искусственное радиоосвещение в закрытом пространстве // РЭ, 2019. Т. 64. №9. С. 916-925.

52. ЛандсбергГ. С. Оптика. Учеб. Пособие: Для вузов. - 6-е изд., стереот. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 258 с.

53. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. М., 1980г., 752 с.

54. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1983. С. 615.

55. Sisma О., Gaugue A., Liebe C., Ogier J-M. UWB Radar: Vision through a wall // IFIP International Federation for Information Processing, / Eds. Simak, B., Bestak, R., Kozowska. Boston: Springer. 2007. V. 245. P. 241-251.

56. Гуриков В.А., Эрнст Аббе (1840-1905). - М.: Наука, 1985. 160 c.

57. Дмитриев А.С., Ицков В.В., Петросян М.М., Рыжов А.И. Разрешающая способность при получении изображений в искусственном радиосвете // ФОП, 2020. Т. 9. №1 (35).

58. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М. Высшая школа, 1988.

59. Dong J. Microwave Lens Designs: Optimization, Fast Simulation Algorithms, and 360-Degree Scanning Techniques. (2009).

60. Rotman W., Turner R. Wide-angle Microwave Lens for Line Source Applications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 11, pp. 623632, 1963.

61. Банков С.Е. Интегральная СВЧ-оптика — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2018. — 598, [1] с., [2] л. ил. : ил., табл. — Библиогр. : с. 590-598. — ISBN 978-5-92211758-6.

62. Katagi T., Mano S., Sato S. An Improved Design Method of Rotman Lens Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 32, pp. 524- 527, 1984.

63. Smith M. S. Design Considerations for Ruze and Rotman Lens // The Radio and Electronic Engineer, vol. 52, pp. 181-187, 1982.

64. Hansen R. C. Design Trades for Rotman lenses // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 39, pp. 464-472, 1991.

65. Rappaport C., Zaghloul A. Optimized Three-dimensional Lenses for Wideangle Scanning // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 33, pp. 12271236, 1985.

66. Dong J., Zaghloul A. I., Rotman R. Non-Focal Minimum-Phase-Error Planar Rotman Lens // in URSI National Radio Science Meeting Colorado, 2008.

67. Peter S. Simon, Analysis And Synthesis Of Rotman Lenses // 22nd AIAA International Communications Satellite Systems Conference & Exhibit 2004 9 - 12 May 2004, Monterey, California

68. Kilic O., Weiss S. Dielectric Rotman lens design for multi-function RF antenna applications // IEEE Antennas and Propagation Society Symposium, 2004., Monterey, CA, USA, 2004, pp. 659-662 Vol.1

69. Kilic O., Weiss S. J. Rotman lens applications for the US Army: A review of history, present, and future // in URSI Radio Science Bulletin, vol. 2010, no. 332, pp. 10-23, June 2010

70. Петросян М.М. «Многолучевые приборы на основе линзы Ротмана для задач наблюдения в радиоосвещенных средах» //Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн», г.Муром, 2020

71. Петросян М. М. «Линза Ротмана в задаче наблюдения за радиоосвещенной окружающей средой» // 30-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 6—12 сентября 2020 г. Севастополь, Крым, Россия

72. Pokorny M.Rotman Lens design with HFSS link (https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/50490-rotman-lens-design-with-hfss-link), MATLAB Central File Exchange. Retrieved August 1, 2020

73. https://www.keysight.com/ru/ru/assets/7018-05192/technical-overviews/5992-1479.pdf

74. Гуляев Ю.В., Дмитриев А.С., Лазарев В.А., Мохсени Т.И., Попов М.Г. Взаимодействие и навигация роботов на основе сверхширокополосной прямохаотической связи // Радиотехника и Электроника. 2016. Т. 61. №8. С.1-8

75. Дмитриев А.С., М. Ю. Герасимов М.Ю., Ицков В.В., Лазарев В.А., Попов М.Г., Рыжов А.И. Активные беспроводные сверхширокополосные сети на основе хаотических радиоимпульсов. // Радиотехника и Электроника. 2016. Т. 62. №4. С. 354-363.

76. Дмитриев А.С., Мохсени Т.И., Попов М.Г. Беспроводные активные сети на основе сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов // Электронные компоненты. 2016. №11. С. 96-100.

77. Дмитриев А. С., Ицков В. В., Попов М. Г., Петросян М. М., Рыжов А. И. Экспериментальное исследование беспроводной сети прямохаотических сверхширокополосных приемопередатчиков для мобильных объектов // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 1(27). С. 80-90.