Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 13. -

Вып. 4. - 2014. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/TITL-44.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/cont.htm

УДК 621.396.962

организация исследовательского комплекса с использованием матричной камеры

субтерагерцового диапазона

Ó 2014 г. Строев Н. Н., Сулимский Е. C.

(stroev.doc)

В работе рассмотрены проблемы создания исследовательских комплексов на основе матричных приемников миллиметровых волн для научных целей. Определены критерии выбора оборудования, проведен сравнительный анализ возможных решений. Предложена аппаратная реализация комплекса с использованием комплектующих российского производства.

Ключевые слова: субтерагерцовый диапазон, миллиметровые волны, система радиовидения, матричная камера.

При проведении научных исследований часто возникает необходимость наблюдения различных объектов, находящихся в среде недоступной для распространения волн оптического диапазона. В таких случаях в исследовательских комплексах используют либо высокоэнергетические излучения (рентгеновские системы), либо акустические волны (ультразвуковые системы), либо радиоволны (радиоволновые системы), либо их сочетания. У каждого из перечисленных методов есть и достоинства, и недостатки, присущие им ограничения на использование в зависимости от объектов исследования и среды распространения сигналов. Наиболее важными характеристиками исследовательских систем являются параметры разрешения определения размеров, формы, положения объектов, состава материалов, электрических и магнитных параметров, температуры и т.д.

В настоящее время наибольшее распространение получили комплексы, использующие рентгеновские лучи и акустические волны. Примером может служить томографическая и ультразвуковая аппаратура медицинского назначения.

Системы радиовидения пока не нашли столь широкого распространения вследствие сложности технической реализации для частот радиоизлучений миллиметровых и субмиллиметровых волн. Более длинные волны не обеспечивают наблюдение объектов малых размеров вследствие дифракционного предела [1].

Системы радиовидения используют принцип анализа отраженных от объектов или излучаемых ими радиоволн, которые способны распространяться во многих диэлектрических, в том числе, оптически не прозрачных средах. Широкое использование миллиметровых волн в этих системах стало возможно только сейчас в связи с успешным развитием высокочастотной электроники и появлением доступной для пользователя аппаратуры.

При построении систем радиовидения необходимо решить следующие задачи. Во-первых, обеспечить прием радиоволн отраженных либо излученных объектом исследования на фоне электромагнитного фона и шума. Во-вторых, интерпретировать информационные параметры амплитуды и фазы принятых сигналов относительно точек пространства наблюдаемой сцены. В-третьих, используя методы математической обработки, воссоздать картину изображения сцены и наблюдаемых объектов.

Каждая задача, в свою очередь, включает множество требующих решения вопросов, касающихся методик и технической реализации составляющих компонентов системы.

Пассивное наблюдение объектов в системах радиовидения, как правило, затрудняется крайне малыми уровнями излучаемых ими сигналов, за исключением отдельных случаев, когда предметом поиска или наблюдения является технический объект, излучающий в заданном радиочастотном диапазоне. Для биологических объектов характерно наличие излучений в широком диапазоне частот с малыми уровнями сигналов. Энергия как бы «размазана» по диапазону, включающему относительно низкие радиочастоты и распространяющемуся до частот теплового излучения в инфракрасном диапазоне. Различимость этих радиосигналов на фоне мешающих помех улучшается при приближении к ИК диапазону.

Активные системы радиовидения используют отраженные от объекта сигналы. Сцена наблюдения с находящимся в ней объектом, освещается внешним источником. Излучение источника может быть узкополосным или широкополосным (в оптике можно провести аналогию с монохромотитеским и немонохромотическим освещением). Применение широкополосного излучения, теоретически, позволяет упростить анализ радиоизображений, поскольку нивелируются дифракционные эффекты. Но для этого спектр должен быть равномерно распределен в заданном диапазоне частот, а это технически сложно реализуется в устройствах субтерагерцового диапазона. Для монохромотического освещения при обработке придется применять более сложные алгоритмы, но при этом можно получить значительно больше информации и приблизится к возможности трехмерного просмотра.

На первом этапе нами был проведен анализ структур известных решений в области систем радиовидения миллиметрового диапазона и определена структура комплекса [2]. Выяснилось, что перспективы разработки систем радиовидения миллиметрового диапазона упираются в значительные технические проблемы.

Во-первых, сложность генерации излучения указанного диапазона для освещения объекта. В качестве источников используют лампы бегущей или обратной волны, лавинно-пролетные диоды (ЛПД), квантовые лазеры. Все приборы, кроме ЛПД, малодоступны, имеют большие габариты и массу, зато способны генерировать излучение большой мощности. ЛПД способны давать относительно небольшие мощности излучения, что ограничивает дальность при работе систем.

Во-вторых, приемные узлы должны сочетать высокую чувствительность и избирательность при незначительном уровне собственных шумов. Для частот W- диапазона это сложная задача, особенно при формировании матричных структур приемников.

В-третьих, для того, чтобы избежать механического сканирования, приемные устройства должны иметь матричную структуру, состоящую из независимых приемных ячеек. Механические сканирующие системы, широко распространенные в современных комплексах оборудования, громоздки, инерционны, неэффективно используют энергию радиоволн, отраженную от объекта. Даже в них редко используют один приемник, обычно применяется линейка, состоящая из конструктивно объединенных приемных ячеек.

Как показал проведенный обзор, возможности выбора комплектующих для построения исследовательского комплекса весьма ограничены.

Матрицы приемников для систем радиовидения миллиметрового диапазона появились относительно недавно. Следует отметить российскую разработку фирмы Terasense Development Labs [3]. В представленных камерах, доступных конечному пользователю, используются последние достижения отечественной науки в области обработки излучения субтерагерцового диапазона [4]. Ячейки матриц имеют достаточную чувствительность, чтобы работать с осветителями на основе ЛПД структур в пределах нескольких метров, что достаточно для большинства научных целей.

В качестве альтернативы были рассмотрены приемники, которые работают на принципах квантовой механики. Фирма NEC серийно выпускает камеру IRV-T0831 терагерцового диапазона для научных исследований[5], перекрывающую широкий частотный диапазон. Элементами матрицы 320x240 THz-FPA, установленной в данной камере, являются высокочувствительные в широком диапазоне длин волн ячейки, фактически преобразующие энергию низкоэнергетических фотонов в тепловую энергию. Этот же принцип применяется в матричных структурах систем диапазона инфракрасного диапазона. Для относительно коротких волн ИК диапазона чувствительность элементов матрицы очень высока, для фотонов терагерцового диапазона, энергия которых значительно ниже, необходимо снижать рабочие температуры чувствительных элементов. При использовании фильтров удается выделить излучение определенного диапазона длин волн, снизив при этом чувствительность.

Учитывая высокую стоимость альтернативного решения, выбор был остановлен на камере Tera-1024 Model, состоящей из матрицы приемных ячеек 32х32. Крайне важно, что фирма Terasense Development Labs предложила комплексное решение по использованию в системе осветителя на основе ЛПД IMPATT sub-THz generator с частотой согласованной с параметрами самой камеры. Полученное оборудование было включено в состав разрабатываемого исследовательского комплекса.

На основе экспериментальных исследований, нами было проведена существенная доработка оборудования исходя из целевых параметров комплекса. Для камеры разработан и изготовлен квазиоптический объектив с возможностью настройки фокусного расстояния. Возможно использование и других квазиоптических элементов – фильтров, средств поляризации и др., что является несомненным преимуществом систем радиовидения миллиметрового диапазона. Диаграмма направленности осветителя так же потребовала корректировки. Имеющаяся рупорная антенна формирует слишком острую диаграмму и, как следствие, обеспечивает неравномерное освещение сцены. Поскольку мы имеем дело с узкополосным излучением, следует стремиться к получению плоского фронта волны в заданном пространственном объеме, что дает возможность при математической обработке использовать алгоритмы аналогичные используемым в голографии.

На рисунке 1 представлен основные компоненты комплекса – матричная камера, оборудованная объективом и осветитель.

Рисунок 1 — Матричная камера Tera-1024 с квазиоптической системой и

субтерагерцовый осветитель

Программное обеспечение, поставленное вместе с оборудованием, имеет существенные недостатки для проведения серьезных исследовательских работ, так как не обеспечивает эффективную обработку получаемого с камеры потока данных, автоматическую регулировку динамического диапазона приемных ячеек. Однако и с этим ПО удалось получить первые практические результаты. В частности были исследованы коэффициенты прозрачности различных материалов, проведены опыты по обнаружению объектов в закрытых пространствах, намечены направления разработки программного обеспечения и методик исследований в отраженных лучах и на просвет.

Основной задачей программного обеспечения, разработка которого проводится в настоящее время, является получение оцифрованной дифракционной картины изучаемой сцены и ее обработка для восстановления внешнего вида наблюдаемых объектов. Изучение дифракционной картины позволяет стремиться к получению сверх разрешения и формированию пространственных изображений [6].

Важным достоинством применения субтерагерцовых исследовательских комплексов в области медицины является относительная безопасность использования, возможность дистанционно определять свойства тканей, связанных с их отражающей и поглощающей способностью в субтерагерцовом диапазоне, дистанционное определение содержания влаги и неоднородностей.

При организации исследовательского комплекса нами были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ структур известных решений в области систем радиовидения миллиметрового диапазона.

2. Выбрана структура комплекса, определены его составляющие, закуплена необходимая аппаратура.

3. Проведены экспериментальные исследования по определению диаграммы направленности и других параметров излучателя (осветителя) и ее коррекции для получения плоской волны для освещения сцены.

4. Разработан квазиоптический объектив для матричной камеры субтерагерцового диапазона.

5. Проведены исследования прозрачности ряда диэлектрических материалов.

6. Определена структура необходимых для работы комплекса программных средств.

Литература

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 3-е, стереотипное. — М.: Физматлит, МФТИ, 2002. — Т. IV. Оптика. — 792 с.

2. Строев Н.Н., Строев К.Н. Перспективы электронных систем радиовидения миллиметрового диапазона «Энергетика, информатика, инновации 2014» – ЭИИ-2014. В 2 томах – Смоленск: Универсум, 2014. Том 1. – с. 444-446

3. Электронный ресурс http://terasense.com/technology/basics/

4. V. M. Muravev, I. V. Kukushkin, J. H. Smet, and K. von Klitzing, "Millimeter/ Submillimeter Mixing Based on the Nonlinear Plasmon Response of Two-Dimensional Electron Systems", JETP Letters, 90, 197 (2009).

5. Электронный ресурс http://www.nec.com/en/global/prod/terahertz/

6. Пирогов Ю.А., Гладун В.В., Тищенко Д.А., Тимановский А.Л., Шлемин И.В, Джен С.Ф. Сверхразрешение в системах радиовидения миллиметрового диапазона // Журнал радиоэлектроники - 2004. - №3 [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: http://jre.cplire.ru

DESIGN OF RESEARCH COMPLEX USING SUBTERAHERZ MATRIX CAMERA

Stroev N. N., Sulimski Е. S.

The article highlights the problems of design of scientific research-oriented complexes based on the matrix radio wave receivers in millimeter range. Criteria of hardware selection is defined after the comparative analysis of possible solutions. We also have introduced the reference implementation of complex using parts made by Russian manufacturers.

Key words: subteraherz range, millimeter waves, radiovision system, matrix camera.

Филиал ФГБОУВПО «Национальный исследовательский университет» МЭИ» в г. Смоленске;

ЗАО «НИИ СТТ» г. Смоленск

Поступила в редакцию 19.12.2014.