43. Синтез радиоголограмм динамических объектов

В рассмотренных выше методах синтеза предполагалось, что исследуемый объект остается неподвижным на протяжении всего эксперимента. В реальных условиях объект может перемещаться или даже деформироваться за время сканирования. Восстановленное изображение такого объекта будет некорректным.

Для получения изображений таких динамических объектов используются специальные способы синтеза апертуры, при использовании которых время, необходимое для синтеза, уменьшается.

Матрица приемных элементов

Наиболее очевидным способом уменьшения времени синтеза апертуры является отказ от физического перемещения приемной антенны и замене ее антенной решеткой. В этом случае одна неподвижная антенна облучает объект полем, а измерение параметров рассеянного объектом поля производится матрицей приемных антенн, расположенных в узлах прямоугольной решетки в плоскости апертуры.

Съем сигнала может производиться со всех антенн одновременно либо с отдельно с каждой антенны по очереди. В первом случае радиоголографическая система должна иметь требуемое число (по числу антенн) приемных устройств, работающих одновременно, что в большинстве случаев нецелесообразно. При съеме сигнала с одной антенны в конструкции системы должны быть предусмотрены устройства, коммутирующие сигнал с антенн на вход приемного устройства. В этом случае время синтеза апертуры несколько снижается.

Схема синтеза апертуры матрицей приемных элементов показана на рисунке 16.

Рисунок 0.16 – Синтез апертуры матрицей приемных элементов

Восстановление изображения по данным, полученным при синтезе апертуры матрицей приемных элементов, выполняется по описанным выше алгоритмам. Очевидно, что алгоритм восстановления будет полностью идентичен алгоритму для синтеза апертуры сканированием одной антенной.

Предложенный вариант синтеза апертуры обеспечивает наименьшее время синтеза, однако сложен в реализации из-за наличия большого числа антенн (при размере апертуры NxN точек N² приемных и одна передающая) и коммутирующих или приемных СВЧ-устройств.

Скрещенные приемная и облучающая антенные решетки

Рассмотрим вариант синтеза апертуры, при котором передающая и приемная антенны перемещаются только в одном направлении – вдоль координатных осей. Пусть приемная антенна перемещается вдоль оси x, а передающая – вдоль оси y.

Синтез апертуры будет производится следующим образом – для каждого положения передающей антенны приемная антенна совершает движение вдоль координатной оси и фиксирует значения рассеянного объектом поля на линии своего движения. После прохода приемной антенной всего отрезка движения передающая антенна перемещается в следующее положение и операция повторяется.

При синтезе апертуры возможна другая схема движения антенн, при которой для каждого положения приемной антенны движение осуществляет передающая. Обе эти схемы синтеза являются эквивалентными.

Обозначим координаты передающей антенны через (x_a, y₀, z), а приемной – через (x₀, y_a,). Значения x₀ и y₀ фиксированы; при движении передающей антенны изменяется координата x_a, при движении приемной - y_a. Таким образом, при синтезе формируется некоторое распределение комплексной амплитуды поля, которое определяется координатами (x_a, y_a).

Схема синтеза апертуры в этом случае показана на рисунке 17.

Рисунок 0.17 – Синтез апертуры скрещенными перемещающимися антеннами

Считая облучающую антенну точечным источником волн и используя приближение Кирхгофа, запишем выражение для распределения поля на поверхности объекта:

,

где .

Распределение поля, формируемое при сканировании двумя скрещенными антеннами, в приближении Френеля запишется как

где .

Используя приближение Френеля, можно записать, что

,    .

Подставляя соотношения вместо R₀ и R_a в показатель экспоненты выражения , можно получить, что

,

или, переставляя слагаемые в показателе экспоненты

где и .

При преобразованиях учтено, что с учетом приближений Френеля и .

Полученное выражение можно трактовать как распределение поля в плоскости апертуры, созданное неподвижным объектом при облучении его точечным источником, находящимся в точке (x_a, y_a, z). Таким образом, для восстановления изображения в данном случае можно использовать алгоритм, полностью аналогичный алгоритму восстановления при синтезе апертуры сканированием приемной антенной.

В то же время вместо перемещения облучающей и приемной антенн можно использовать линейную антенную решетки, расположенные по траекториям движения антенн. Синтез апертуры в таком случае будет заключаться в последовательном подключении передающих антенн решетки к источнику колебаний и измерении для амплитуды и фазы рассеянного поля во всех приемных антеннах.

Такой способ синтеза позволяет использовать гораздо меньшее число антенн (при размере апертуры NxN точек N приемных и N передающих) при сохранении малого времени синтеза апертуры.

Непрямоугольная апертура

Другими разновидностями синтеза является использование формы апертуры, отличной от прямоугольной. В этом случае время сканирования уменьшается за счет уменьшения числа точек, в которых необходимо произвести измерение амплитуды и фазы поля, а также уменьшения времени на перемещение антенны между точками. Алгоритм восстановления изображений при использовании непрямоугольной апертуры соответственно модифицируется.

Одним из способов синтеза непрямоугольной апертуры является синтез апертуры по окружности. В этом случае облучающая антенна неподвижна, а приемная перемещается по некоторой окружности. Возможен обратный вариант – неподвижна приемная антенна, а перемещается облучающая. Схема синтеза апертуры в этом случае показана на рисунке 18.

Рисунок 0.18 – Синтез апертуры сканированием по окружности

Данные синтеза апертуры в этом случае представляются в виде зависимости комплексной амплитуды поля от угла поворота антенны . Алгоритм восстановления изображения в этом случае несколько усложняется.