Горишняк В. П., Денисов А. Г., Кузьмін С. Є., Радзіховський В. Н., Шевчук Б. М. Гесударственний науково-дослідний центр «Айсберг» Київ – 03148, Україна Тел.: (044) 4783145; e-mail: iceberg@ukrpack.net

Анотація – Пасивна 32-канальна система формування зображень, работаюшая в 8-мм діапазоні довжин хвиль, розроблена в ДНІЦ «Айсберг» протягом останніх двох років. Система містить матрицю прийомних датчиків, розташованих у фокальній площині квазиоптической антени, скануючий механізм і процесор на базі персонального комп’ютера. Система забезпечує формування зображення на екрані монітора протягом 3 секунд. Просторовий кут огляду становить 90 х 16 градусів.

I. Вступ

Здатність міліметрових хвиль проходити крізь туман, хмари, дощ, сніг, дим та інші перешкоди робить системи формування зображень в міліметровому діапазоні найбільш ефективним інструментом для вирішення широкого кола завдань, які не можуть бути вирішені за допомогою інфрачервоних і оптичних систем.

Основні зусилля розробників направлені на поліпшення якості зображень і формування їх в реальному масштабі часу. Час формування зображення залежить від кількості датчиків у складі матриці і від швидкості сканування. Більш висока чутливість датчиків дозволяє підвищити швидкість сканування при забезпеченні адекватного часу інтегрування. Якість зображення обмежується просторовим дозволом, який обернено пропорційно діаметру квазі-оптичної антени. Певного покращення якості можна досягти спеціальної цифровою обробкою отриманого зображення.

Розроблена нами раніше 16-канальна система [1] була здатна формувати зображення протягом 10 секунд. У даній роботі представлена ​​система, яка дозволяє втричі швидше отримувати зображення з більш високою якістю.

II. Основна частина

Матриця прийомних датчиків побудована на базі радіометричних датчиків, які представляють собою приймачі прямого детектування з мало-шумливими підсилювачами на вході. Датчики працюють в частотному діапазоні 33 … 38 ГГц і мають температурну чутливість в компенсаційному режимі не гірше 10 мК / Гц1/2. Малі розміри датчиків і витягнута конфігурація забезпечують ефективну компоновку їх в складі матриці. Матриця містить 32 датчика, розміщених у вигляді двох вертикальних рядів по 16 датчиків в кожному (Рис.1). Ряди зрушені відносно один одного таким чином, щоб сформувати 32 прийомних променя, які при скануванні антени в горизонтальному напрямку прописують 32 смуги. Конструкція матриці зручна для інтеграції в складніші двомірні матриці.

Вихідні сигнали з датчиків через багатожильний кабель надходять на плату АЦП для оцифровки і подальшої обробки.

багатопроменева квазіоптичні антена складається з головної антени і опромінювачів, розташованих у фокальній площині головної антени. В якості головної антени використано прямофокусниє параболічне дзеркало діаметром 900 мм, що забезпечує ширину променів близько 0,6 градуса за рівнем

3 дБ. Фокусна відстань антени 990 мм.

Як опромінювачів використані діелектричні штирові антени, малі поперечні розміри яких дозволяють компактно розміщувати їх у фокальній площині. Кожен опромінювач безпосередньо зістикований зі своїм датчиком і направлений в центр головної антени. Опромінювачі з головною антеною формують 32 променя з відстанню між сусідніми променями 0,48 градуса. Повний кут огляду у вертикальній площині складає 16 градусів.

Антена з матрицею сканується в горизонтальній площині на кут ± 60 °. В кінцевих точках кожного скана здійснюється калібрування датчиків. Скануючий механізм містить оптичний датчик кута, що дає інформацію про становище антени в будь-який момент часу. Зчитування сигналів проводиться через кожні 0,17 градуса (1 піксель) у повному куті огляду в горизонтальній площині, який становить 90 градусів.

Зображення оглядається сцени формується протягом кожного скана (3 секунди). У системі передбачений двухскановий режим, при якому перед зворотним сканом всі промені зміщуються у вертикальній площині на 0,24 градуса. В результаті протягом двох сканів промені прописують 64 смуги, покращуючи якість формованого зображення.

Зовнішній вигляд системи показаний на рис. 1.

Рис. 1. Система формування зображень.

Fig. 1. System of images formation

Для обробки сигналів і формування зображення на екрані монітора був розроблений про-граммно-апаратний комплекс. Апаратна частина включає IBM-сумісний комп’ютер з монітором і плату АЦП / ЦАП. Плата типу L780 містить 32 – канальний комутатор з аналого-цифровим перетворювачем для зчитування і оцифровки сигналів від датчиків, цифро-аналоговий перетворювач,

через який комп’ютер управляє механізмом сканування, два цифрових входу для передачі інформації від датчика кута в комп’ютер про становище антени.

Комп’ютер встановлює робочі режими для механізму сканування, здійснює обробку прийнятих сигналів і формує зображення на екрані монітора. Програма визначає послідовність роботи системи, забезпечуючи швидке і гнучке управління.

Комп’ютер з монітором розташовуються окремо від приймального вузла системи на зручній відстані і пов’язані з ним спеціальним кабелем. Були проведені дослідження системи в натурних умовах. На рис. 2 наведено зображення, отримане в міліметровому діапазоні за допомогою розробленої системи (а), і для порівняння показана фотографія тієї ж сцени (Ь).

Рис. 2. Зображення, отримане в міліметровому діапазоні (а) і фотографія тієї ж сцени (Ь)

Fig. 2. Millimeter-waves image (a) and photo picture of the same scene (b)

III. Висновок

Таким чином, 32-канальна пасивна система формування зображень була розроблена в частотному діапазоні 33 … 38 ГГц. Система містить многолучевое скануючу квазіоптичні антену з матрицею малошумящих приймачів прямого детектування, а також програмно-апаратний комплекс на базі IBM-комп’ютера. Протягом 3 секунд система дозволяє отримувати якісне зображення в просторовому куті огляду 90 х 16 градусів.

IV. Список літератури

[1] V. N. Radzikhovsky, V. P. Gorishniak, S. Е. Kuzmin,

В. М. Shevchuk, «16-channels millimeter-waves radiometric imaging system», MSMW2001 Symposium Proceedings. Kharkov, Ukraine, June 4-9, pp. 466-468, 2001.

PASSIVE MULTICHANNEL MILLIMETER-WAVE IMAGING SYSTEM

Gorishniak V. P., Denisov A. G., Kuzmin S. E., Radzikhovsky V. N., Shevchuk В. M.

State Research Center “Iceberg”

2b, 50-years October, Kiev, 03148, Ukraine Tel.: +380(044)478-3145, Fax: +380(044)478-3145, E-mail: iceberg@ukrpack.net

Summary – Passive 32-channel imaging system operating in 8-mm wave band has been developed at SRC “Iceberg” during the last two years. The system consists of focal plane array connected with processor, quasi-optical antenna and scanning mechanism. The system provides 90 x 16 degrees field-of-view, and displays the acquired image during 3 seconds.

The focal plane array is formed on base of radiometric sensors [1], which are direct detection receivers with input low-noise amplifiers. The sensors operate in frequency band 33…38 GHz and have temperature sensitivity not worse than 10 mK/Hz1/2 in total power mode. Small sizes of the sensors and stretched configuration provide its efficient packing into array. The array contains 32 sensors located in a shape of two vertical rows.

A multibeam quasi-optical antenna consists of the main antenna and feeds located in a focal plane of the main antenna. The prime-focus-fed parabolic reflector is used as a main antenna. The reflector has diameter D = 900 mm providing the beam width near 0.6 degrees at 3 dB level. The dielectric rods antennas are used as feeds. This type of feed has smaller cross sizes compared with horn feeds that allow the sensors to be more compact in the array construction. Each feed is connected with its sensor and directed to the center of the main antenna. The reflector with feeds in focal plane forms 32 beams. The angle between adjacent beams in vertical plane is 0.48 degrees and total angle of view in vertical plane is 16 degrees.

The antenna with array is attached to the scanning mechanism, which provides the antenna scanning in horizontal plane by angle ± 60 degrees. At end-points of each scanning the sensors calibration is carried out. During the scanning each beam draws the horizontal strip, and thus all observed scene finds itself completely covered by beams. The scanning mechanism includes the optical sensor of the angle, which gives information about the antenna position in any time during system operation. The signals reading is carried out through each 0.17 degree (1 pixel) in full angle of view in horizontal plane equal to 90 degrees.

The external view of the imaging system is shown in Fig. 1.

In order to form an image on monitor screen the software- hardware complex has been developed. The hardware include IBM-compatible computer with monitor and ADC/DAC card (model L780, Russian fab.). Computer sets the operating modes for scanning mechanism, carries out processing of the received signals, and forms the image on a monitor. Software specifies the sequence of the system operation providing fast and flexible control by the imaging system.

The computer with a monitor is placed separately from scanning receiver unit at convenient distance and is connected to the unit by means of special cable. The investigations of the system in natural conditions were carried out. In Fig. 2(a) the image of SPE ‘Saturn” yard territory obtained with help of the developed system is shown. For comparison in Fig. 2(b) the photo of the same scene is shown. Sufficiently good quality of the image in 8 mm wave’s band is demonstrated.

The developed imaging system can be used to provide navigation on the ground or at the sea especially at short distances where surface radar clutter is high, for remote sensing in space and air investigations, for all-weather surveillance, for objects discovering, and many other commercial applications.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»