Радиостроение. 2016; : 1-10
Построение радиоизображений трёхмерных объектов с использованием многочастотной мультистатической радиоголограммы
https://doi.org/10.7463/rdopt.0516.0848109Аннотация
К настоящему времени опубликовано значительное число научных работ, посвященных общим принципам функционирования и теории построения радиоголографических изображений (РИ) объектов на основе метода мультистатических радиоголограмм (МРГ). Метод существенно отличается от известного ранее метода классических радиоголограмм (КРГ). Для метода КРГ используются эквидистантные неподвижные двумерные или сканирующие линейные антенные решетки (АР), состоящие из совмещенных на передачу и приём антенных элементов. Число независимых отсчетов дифрагированного поля равно при этом числу приемо-передающих элементов.
В отличие от метода КРГ для получения МРГ возможно использование разреженной АР, состоящей из раздельных и распределённых по АР передающих и приёмных элементов. Пространственные отсчеты дифрагированного на объекте электромагнитного поля при методе МРГ получают для всех возможных бистатических пар «передающий элемент – приёмный элемент». При этом количество независимых отсчетов поля равно произведению числа передающих элементов на число приёмных элементов.
Для проверки этого метода на сложных объектах использовалась программа электродинамического моделирования FEKO, которая позволяет выполнить расчет комплексной амплитуды поля, рассеянного реальным объектом.
По сравнению с феноменологической моделью – совокупностью независимых точечных рассеивателей (блестящих точек), представленный подход позволяет в каждой точке приема регистрировать не только фазу, но и амплитуду рассеянного поля. Дополнительное улучшение качества РИ для трёхмерных объектов в методах КРГ и МРГ достигается за счёт применения многочастотного излучения. При равном числе независимых отсчетов поля в обоих рассматриваемых методах, одинаковой разрешающей способности и качестве сфокусированных РИ (в части отсутствия дифракционных артефактов) метод МРГ имеет существенные преимущества по общему числу элементов АР. Так, при использовании сканирующей линейной АР выигрыш метода МРГ по числу элементов может быть более чем на порядок.
В работе для конкретной конфигурации и параметров системы регистрации МРГ приведены примеры фокусировки многочастотной МРГ и получения радио-изображений на основе алгоритмов обратных проекций для электродинамических моделей сферы и куба.
Список литературы
1. Чапурский В.В. Получение радиоголографических изображений объектов на основе разреженных антенных решеток типа mimo с одночастотным и многочастотным излучением // Вестник Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э. Баумана Серия Приборостроение. 2011. № 4. P. 72–91.
2. Крайний В.И., Семенов А.Н., Чапурский В.В. Фокусировка многочастотных мультистатических радиоголограмм методом неэквидистантного БПФ. Наука и образование, № 11, ноябрь 2015, DOI: 10.7463/1115.0826094 http://technomag.bmstu.ru/doc/826094.html
3. Крайний В.И., Семенов А.Н., Чапурский В.В. Фокусировка одночастотных мультистатических радиоголограмм методом двумерного неэквидистантного быстрого преобразования Фурье // VIII Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» 24 - 26 ноября 2014 г. , Сборник докладов на конф. 2014. P. 77–81.
4. Нестеров С.М., Скородумов И.А. Особенности синтезирования трехмерных радиолокационных изображений объектов. ИРЭ РАН, 2010. P. 218–222.
5. Разевиг В.В., Бугаев А.С., Чапурский В.В. Сравнительный анализ фокусировки классических и мультистатических радиоголограмм // Радиотехника. 2013. № 8. P. 8–17.
6. Семенов А.Н., Ахияров В.В., Чапурский В.В. Использование электродинамического моделирования в мультистатической радиоголографии // 25-я Международная конференция СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: Материалы конф. в 2-х т. Севастополь, Крым, 2015. Vol. 2. P. 1152–1153.
7. Чапурский В.В. Мультистатическая радиоголография // Труды 4-й международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации». Россия, Суздаль, 2011. P. 99–102.
8. Чапурский В.В. Синтезирование радиоизображений объектов с помощью линейной антенной решетки типа MIMO // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 7. P. 115–123.
9. Курикша А.А. Алгоритм обратной проекции в задачах восстановления пространственного распределения источников // Радиотехника и электроника. 2002. Vol. 47, № 12. P. 1484–1489.
10. Sheen D.M., McMakin D.L., Hall T.E. Three-dimensional millimeter-wave imaging for concealed weapon detection. Microw. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. Vol. 49, No. 9. P. 1581–1592. Available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/942570/?reload=true&arnumber=942570, accessed 06.10.2016.
11. Yakubov V.P., Sklarczyk K.G., Pinchuk, R.V., Sukhanov D.Ya., Bulavinov A.N., Bevetskii A.D. Radio-wave tomography of hidden objects for safety systems. Russian Physics Journal. 2008. Vol. 51, No. 10. P. 1064–1082.
12. Andreev V.G., Karabutov A.A., Solomatin S.V., Savateeva E.V., Aleynikov Vadim, Zhulina Yulia V., Fleming R. D., Oraevsky A.A. Optoacoustic tomography of breast cancer with arc-array transducer. BiOS 2000 The International Symposium on Biomedical Optics. International Society for Optics and Photonics, 2000. P. 36–47.
13. Q. H. Liu N.N. An accurate algorithm for nonuniform fast Fourier transforms (NUFFT’s). IEEE Microw. Guid. WAVE Lett. 1998. Vol. 8, No. 1. P. 18–20.
14. Song J. et al. High-resolution 3-D radar imaging through nonuniform fast Fourier transform (NUFFT). Communications in Computational Physics. 2006. Vol. 1, № 1. P. 176–191. Available at: http://www.global-sci.com/freedownload/v1_176.pdf, accessed 06.10.2016
Radio Engineering. 2016; : 1-10
Creation of 3-D Object Radio Images Using Multi-Frequency Multi-static Radio-hologram
https://doi.org/10.7463/rdopt.0516.0848109Abstract
To date, there are a significant number of scientific publications on the general principles of operation and design concept theory of radio holographic image (RHI) objects based on the multi-static radio-holograms (MSRH). The method differs significantly from the previously known methods of classical radio-holograms (CRH). For the CRH method, are used the equidistant fixed two-dimensional or scanning linear antenna arrays (AA), consisting of antenna elements combined for transmitting and receiving. Thus, the number of independent samples of the diffracted field is equal to the number of transmitting and receiving elements.
Unlike the CRG method, a thinned array consisting of separate and distributed transmitting and receiving elements across AA can be used to have the MSRH. Spatial samples of electromagnetic field diffracted on the object are made for all possible bi-static pairs "transmitting element - receiving element". Thus, the number of independent samples of the field is equal to the product of the number of transmitting elements by the number of receiving ones.
To test this method on the complex objects was used the FEKO electro-dynamic simulation software, which allows us to perform calculation of the complex amplitude of the field scattered by a real object.
In comparison to the phenomenological model, i.e. a set of independent point scatterers (shining points) the offered approach allows us to record not only the phase, but also the amplitude of the scattered field in each receiving point. With CRH and MSRH methods additional improvement in the quality of radio images (RI) for three-dimensional objects is achieved through the use of multi-frequency radiation. With an equal number of independent samples of the field in both examined methods, the same resolution and quality of focused RI (without diffraction artefacts) the MSRH method has significant advantages in the total number of AA elements. So, when using the scanning linear AA the MSRH method gain in the number of elements can be more than by an order of magnitude.
For specific configuration and parameters of the MSRH recording system the paper gives examples of multi-frequency MSRH focusing and radio images obtained using the back-projection algorithms for electro-dynamic models of sphere and cube.
References
1. Chapurskii V.V. Poluchenie radiogolograficheskikh izobrazhenii ob\"ektov na osnove razrezhennykh antennykh reshetok tipa mimo s odnochastotnym i mnogochastotnym izlucheniem // Vestnik Moskovskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. N.E. Baumana Seriya Priborostroenie. 2011. № 4. P. 72–91.
2. Krainii V.I., Semenov A.N., Chapurskii V.V. Fokusirovka mnogochastotnykh mul'tistaticheskikh radiogologramm metodom neekvidistantnogo BPF. Nauka i obrazovanie, № 11, noyabr' 2015, DOI: 10.7463/1115.0826094 http://technomag.bmstu.ru/doc/826094.html
3. Krainii V.I., Semenov A.N., Chapurskii V.V. Fokusirovka odnochastotnykh mul'tistaticheskikh radiogologramm metodom dvumernogo neekvidistantnogo bystrogo preobrazovaniya Fur'e // VIII Vserossiiskaya konferentsiya «Radiolokatsiya i radiosvyaz'» 24 - 26 noyabrya 2014 g. , Sbornik dokladov na konf. 2014. P. 77–81.
4. Nesterov S.M., Skorodumov I.A. Osobennosti sintezirovaniya trekhmernykh radiolokatsionnykh izobrazhenii ob\"ektov. IRE RAN, 2010. P. 218–222.
5. Razevig V.V., Bugaev A.S., Chapurskii V.V. Sravnitel'nyi analiz fokusirovki klassicheskikh i mul'tistaticheskikh radiogologramm // Radiotekhnika. 2013. № 8. P. 8–17.
6. Semenov A.N., Akhiyarov V.V., Chapurskii V.V. Ispol'zovanie elektrodinamicheskogo modelirovaniya v mul'tistaticheskoi radiogolografii // 25-ya Mezhdunarodnaya konferentsiya SVCh tekhnika i telekommunikatsionnye tekhnologii: Materialy konf. v 2-kh t. Sevastopol', Krym, 2015. Vol. 2. P. 1152–1153.
7. Chapurskii V.V. Mul'tistaticheskaya radiogolografiya // Trudy 4-i mezhdunarodnoi konferentsii «Akustoopticheskie i radiolokatsionnye metody izmerenii i obrabotki informatsii». Rossiya, Suzdal', 2011. P. 99–102.
8. Chapurskii V.V. Sintezirovanie radioizobrazhenii ob\"ektov s pomoshch'yu lineinoi antennoi reshetki tipa MIMO // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. 2012. № 7. P. 115–123.
9. Kuriksha A.A. Algoritm obratnoi proektsii v zadachakh vosstanovleniya prostranstvennogo raspredeleniya istochnikov // Radiotekhnika i elektronika. 2002. Vol. 47, № 12. P. 1484–1489.
10. Sheen D.M., McMakin D.L., Hall T.E. Three-dimensional millimeter-wave imaging for concealed weapon detection. Microw. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. Vol. 49, No. 9. P. 1581–1592. Available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/942570/?reload=true&arnumber=942570, accessed 06.10.2016.
11. Yakubov V.P., Sklarczyk K.G., Pinchuk, R.V., Sukhanov D.Ya., Bulavinov A.N., Bevetskii A.D. Radio-wave tomography of hidden objects for safety systems. Russian Physics Journal. 2008. Vol. 51, No. 10. P. 1064–1082.
12. Andreev V.G., Karabutov A.A., Solomatin S.V., Savateeva E.V., Aleynikov Vadim, Zhulina Yulia V., Fleming R. D., Oraevsky A.A. Optoacoustic tomography of breast cancer with arc-array transducer. BiOS 2000 The International Symposium on Biomedical Optics. International Society for Optics and Photonics, 2000. P. 36–47.
13. Q. H. Liu N.N. An accurate algorithm for nonuniform fast Fourier transforms (NUFFT’s). IEEE Microw. Guid. WAVE Lett. 1998. Vol. 8, No. 1. P. 18–20.
14. Song J. et al. High-resolution 3-D radar imaging through nonuniform fast Fourier transform (NUFFT). Communications in Computational Physics. 2006. Vol. 1, № 1. P. 176–191. Available at: http://www.global-sci.com/freedownload/v1_176.pdf, accessed 06.10.2016
