Разработка сверхширокополосного радара подповерхностного зондирования (георадар Izh-Terra)30.12.2021 02:17

Введение

Радары подповерхностного зондирования (георадары), представленные на рынке, в большинстве своем являются импульсными радарами. Однако в последнее время встречается ряд сообщений [1, 2, 3] о разработках георадаров с непрерывным излучением (далее — CW-георадар). При этом как теоретически, так и практически показаны преимущества CW-георадаров [1, 4]:

1 динамический диапазон CW-георадара более чем на 20 дБ превосходит динамический диапазон импульсных аналогов (при прочих равных характеристиках). На практике это может означать увеличение глубины обнаружения в 3 раза  для точечных целей и в 4–5 раз для линейных протяженных целей;

2 В импульсных георадарах исследователь подвергается воздействию коротких импульсов мощностью несколько мегаватт, особенно при работе с неэкранированной антенной (например, георадар «Лоза» или его аналоги). Влияние таких импульсов на человека слабо изучено или, в силу коммерческих интересов, открыто не публикуется. В любом случае, здоровье пользователя импульсного георадара подвергается серьезному риску. В случае с CW-георадаром, средняя излучаемая мощность составляет несколько милливатт (что на 1–2 порядка меньше мощности излучения мобильного телефона в режиме разговора), и при экранированной антенне не оказывает заметного влияния на пользователя.

При всех вышеописанных преимуществах CW-георадары недоступны для приобретения (по крайней мере, недоступны автору), что явилось хорошим стимулом начать разработку своего георадара. Такая работа выполнялась автором на протяжении трех-четырех лет, базируясь исключительно на получении удовольствия от занятия любимым делом. Разработанный георадар получил название «Izh-Terra». Сейчас можно сказать, что достигнутые технические характеристики разработанного георадара являются конкурентоспособными. В таблице 1 представлено сравнение радиочастотных характеристик георадара Izh-Terra и аналогичных по принципу действия радаров. Для сравнения выбраны георадары RIMFAX[3] (из состава марсохода Perseverance) и ORFEUS [2]. Оба георадара подробно описаны в доступных публикациях, и, на мой взгляд, представляют уровень современной техники (State of the Art).

Таблица 1 — Сравнение радиочастотных характеристик георадара Izh-Terra с аналогами

Частотный диапазон георадара выбирался из компромисса между глубиной зондирования и требованием к мобильности, связанным с размерами антенн, а также разрешающей способностью по глубине. Чем ниже частота, тем большая глубина зондирования обеспечивается, но тем больший размер антенн требуется для эффективного использования энергии передатчика. Например, FMCW георадар RIMFAX в составе марсохода Perseverance работает в диапазоне частот (150–1200)МГц и обеспечивает глубину сканирования свыше 10 м [3]. Георадар Orfeus [2] имеет диапазон частот (100–1000)МГц с приемлемыми (для удобства пользования и мобильности) размерами антенны 0,52×1,1 м².

Все рассматриваемые георадары имеют полосу сигнала около 1000 МГц. В этом случае обеспечивается разрешение по глубине 5 см (для характерных грунтов с диэлектрической проницаемостью 9). В георадарах с непрерывным излучением целесообразно применять линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) как наиболее простую в реализации и отвечающую современным требованиям к радарам по помехозащищенности.

Принцип работы FMCW георадара приведен рисунке 1. Передатчик формирует сигнал с непрерывным линейным изменением частоты во времени, который после усиления поступает в передающую антенну. Отраженный от цели сигнал с приемной антенны поступает в приемник, смешивается в смесителе с сигналом на передачу. На выходе смесителя выделяется сигнал, соответствующий разности частот переданного и принятого сигналов (разность частот еще называют частотой биений). После оцифровки такого сигнала оценивается его спектр, как правило с применением быстрого преобразования Фурье. Спектр  является отображением окружающей обстановки.

Рис. 1 — Принцип работы FMCW георадара

Описание работы передатчика

При формировании требования к мощности передатчика необходимо учитывать величину просачивания мощности из передающей антенны в приемную, которая обычно составляет минус (30–40) дБ, и величину ограничения амплитудной характеристики приемника (обычно минус (5–10) dBm для классической схемы приемника, содержащей малошумящий усилитель и смеситель). В этом случае мощность передатчика не должна превышать 20 dBm.

Передатчик выполнен на основе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и преобразователя частоты (рисунок 2). ФАПЧ состоит из фазового детектора, узла накачки заряда, петлевого фильтра, делителя частоты, генератора, управляемого напряжением (ГУН).

С помощью ФАПЧ формируется ЛЧМ сигнал с частотами от Fн до Fв такими, что Fв>Fн>1100МГц, (Fв-Fн)=1000МГц. Период свипирования по умолчанию составляет 1 мс, и может изменяться пользователем.

Преобразователь частоты, состоящий из фильтра нижних частот, смесителя, генератора сигнала постоянной частоты, усилителей, предназначен для переноса частоты в область частот функционирования георадара. Гетеродин представляет собой генератор на частоте Fв+100МГц, и также имеет в составе схему ФАПЧ.

На рисунке 3 представлен график изменения частоты во времени на выходе  передатчика, полученного путем схемного моделирования работы передатчика. Согласно данным моделирования, пиковое отклонение частоты от линейной зависимости составляет 460 Гц (среднеквадратичное — 150 Гц). Такая нелинейность частоты является приемлемой.

Рис. 2 — Функциональная схема передающего устройства FMCW георадараРис. 3 — Изменение частоты передатчика во времениРис. 4 — Фазовый шум передатчика на частоте 1100 МГц

Фазовый шум передатчика приведен на рисунке 4. Можно предпринимать попытки снизить фазовый шум передатчика (что приведет к удорожанию георадара), но нужно учитывать следующее обстоятельство. Характерной особенностью FMCW георадаров является работа с объектами, расположенными в непосредственной близости к антеннам. В этом случае фазовые шумы опорного и принятого сигнала (см. рисунок 1) являются коррелированными, и при преобразовании в смесителе вычитаются, что приводит к их существенному снижению (до 30 дБ) [5]. Поэтому, предположу, что мероприятия по дальнейшему снижению фазовых шумов малоэффективны и нецелесообразны. Мощность передатчика выбирается в диапазоне (0–10) дБм, исходя из действующих законодательных ограничений на конкретной территории.

Таким образом, достигнуты следующие характеристики передатчика:

• диапазон частот — (100–1100) МГц;

• мощность передатчика — (0–10) дБм;

• период свипирования — 1 мс;

• максимальное отклонение частоты от линейной характеристики — 460 Гц.

Описание работы приемника

Приемник содержит малошумящий усилитель (МШУ) и смеситель. МШУ обеспечивает коэффициент шума приемника не более 2 дБ, но в то же время снижает динамический диапазон радара на величину, равную коэффициенту усиления МШУ (15дБ), ограничивая допустимую мощность передатчика. Поэтому применение МШУ в георадарах является дискуссионным, и в некоторых схемах FMCW георадаров его не применяют [1]. Однако на практике выяснилось, что его применение необходимо для согласования приемной антенны со смесителем, и отказ от МШУ в рассматриваемой схеме оказался невозможным. 

Оцифровка сигнала осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с частотой дискретизации 1 МГц и разрядной сеткой  16 бит. Оцифрованный сигнал обрабатывается в вычислительном модуле на основе DSP процессора BF706, затем данные передаются на ноутбук с ОС Windows 7, 10 через USB кабель длиной до 5 м. Также имеется возможность передачи изображения радарограммы в реальном времени через WiFi на любое Android устройство. 

Рис. 5 — Функциональная схема приемникаРис. 6 — Оценка динамического диапазона георадара

Для оценки динамического диапазона приемник соединялся с передатчиком через аттенюатор 45 дБ (величина развязки между приемной и передающей антеннами) и кабель RG402 длиной 1 м. Результат представлен на рисунке 7.

Достигнуты следующие характеристики приемника:

• минимальный обнаруживаемый сигнал (чувствительность приемника) — минус 135 дБм;

• максимальный сигнал по уровню компрессии сигнала 1 дБ — минус 5 дБм;

• коэффициент шума приемника — 2 дБ;

• динамический диапазон приемника — 130 дБ.

Описание антенн. В процессе работы над георадаром разработаны, изготовлены и испытаны следующие антенны (рисунок 7):

• круглая резистивно-нагруженная антенна типа галстук-бабочка диаметром  0,5 м;

• прямоугольная резистивно-нагруженная антенна типа галстук-бабочка размерами 0,52×0,2 м²;

• резистивно-нагруженная спираль Архимеда диаметром 0,3 м.

Рис. 7 — Разработанные антенны георадара: круглые галстук-бабочка (на шасси), прямоугольные галстук-бабочка (на шасси), спираль Архимеда

Все антенны экранированы. Каждая из антенн имеет свои преимущества и недостатки. При заинтересованности читателей, сравнительный анализ антенн может быть вынесен в отдельную статью. В рамках настоящей статьи будет рассмотрена круглая антенна галстук-бабочка (рисунок 7, левый верхний угол) и работа георадара с ней. Излучающая поверхность показана на рисунке 8. Для снижения добротности антенны (уменьшение звона и увеличение полосы пропускания) электрическая проводимость крыльев антенны принудительно снижается к краям по известному в антенной технике распределению Ву-Кинга. Эффективность таких антенн составляет около 10% на большей части частотного диапазона.

Рис. 8 — Излучающие элементы круглой антенны галстук-бабочка

На рисунках 9, 10 приведены S-параметры пары таких антенн. Частотный диапазон по уровню S11 минус 10 дБ (КСВН не более 2) составляет (90 — 1200) МГц, развязка между антеннами не превышает минус 42 дБ. На рисунке 11 приведен общий вид диаграммы направленности на центральной частоте диапазона. Такая диаграмма направленности обеспечивает высокую избирательность георадара — нечувствительность к «воздушным» помехам, таким как строения, линии ЛЭП, деревья и тд.

Рис. 9 — S11 разработанной круглой резистивно-нагруженной круглой антенны галстук-бабочкаРис. 10 — Развязка (S21) между передающей и приемной антеннами георадараРис. 11 — Общий вид диаграммы направленности антенны на центральной частоте. На рисунке показана пара одинаковых антенн — передающая и приемная

Пользовательский интерфейс

Программное обеспечение (ПО) верхнего уровня представляет собой Python скрипт с применением библиотек SciPy, NumPy, PyQt4, PyQtGraph. ПО позволяет осуществлять экспресс анализ радарограмм при непосредственной работе с георадаром, либо проводить детальный анализ записанных треков с применением специальных методов обработки. Запись данных для последующей обработки осуществляется в формате HDF5. Пример пользовательского окна приведен на рисунке 12.

Рис. 12 — Пример пользовательского окна ПО георадара Izh-Terra

Конструктивное исполнение

имний вариант георадара Izh-Terra представлен на рисунке 13. Размеры такого исполнения: 1,43×0,73×0,25 м³, масса — 10 кг. В настоящее время прорабатывается летний вариант на колесном шасси. 

Рис. 13 — Зимний вариант георадара Izh-Terra

Практическая проверка работы георадара

Характерная радарограмма, полученная при работе на сухой почве, покрытой снегом, приведена на рис. 14. Расстояние по горизонтальной оси измерялось с помощью GPS/GLONASS датчиков, поскольку применение классического мерного колеса (одометра) на снегу крайне затруднительно. Стоит обратить внимание, что радарограмма представляет собой данные георадара, которые не подвергались какой-либо специальной обработке (за исключением вычитания среднего). На рисунке 14 можно наблюдать гиперболы на глубине до (5–6) м. 

Рис. 14 — Примеры радарограмм, полученных на сухой почве

Интерес также представляет возможность использования георадара для измерения толщины льда на водоемах. Характерные результаты такой работы  на пресном водоеме представлены на рисунке 15 (без какой-либо специальной обработки). Две красные линии в верхней части радарограммы — сигналы от верхней и нижней кромки льда. По разнице во времени задержки сигнала определяется толщина льда. Для случая, приведенного на рисунке 15, временная задержка составила 3 нс, что соответствует толщине льда 0,24 м. Такой результат с точностью до 0,01 м совпадает с фактической толщиной ледового покрытия. На рисунке 15 также можно наблюдать рельеф дна, что также представляет немалый практический интерес для разного рода задач. Практически, при толщине льда 0,24 м предельная глубина, на которой наблюдалось песчаное дно, составила 1,5 м. Предположу, что при отсутствии льда глубина наблюдения дна в пресном водоеме увеличится в 3–4 раза до 6 м при расположении антенн на поверхности воды.  

Рис. 15 — Радарограмма, полученная перемещением георадара по льду толщиной 0,24 м

Лицензирование

В Евросоюзе деятельность, касающаяся георадаров, регулируется стандартом Draft ETSI EN 302 066 V2.2.0 (2019–04) «Short Range Devices (SRD); Ground- and Wall- Probing Radio determination (GPR/WPR) devices; Harmonised Standard for access to radio spectrum», в котором подробно описаны требования к георадарам и методики испытаний на соответствие этим требованиям.

В России постановлением Правительства от 18 сентября 2019 г. N 1203–47 установлен рекомендуемый частотный диапазон для подповерхностныхсверхширокополосных радаров: 30 МГц — 12,4 ГГц. При этом указано: условия использования полос радиочастот для устройств малого радиуса действия определяются соответствующими решениями Государственной комиссии по радиочастотам. Таких решений ГКРЧ касательно диапазона (100–1100) МГц я не встречал. В то же время генераторы радиошума в этом диапазоне частот каким-то образом регистрируются и продаются.

Вопрос к уважаемым участникам обсуждений: возможно ли зарегистрировать СШП георадар для его производства, продажи и использования в РФ за разумные время и деньги? Или целесообразнее сосредоточиться на лицензировании в других странах?  

Заключение

Основные характеристики разработанного георадара Izh-Terra 

1 частотный диапазон: (100 — 1100) МГц, полоса сигнала (девиация частоты) B=1000 МГц;

2 частота измерений: 1000 раз в секунду при временной развертке 500 нс;

3 разрешение по глубине: 5 см для характерного материала с ε=9 (асфальт, бетон, мокрый песок);

4 динамический диапазон: 130 дБ (без учета антенн);

5 мощность передатчика: (0–10) dBm, излучаемая мощность с учетом КПД антенн (минус 10–0) dBm;

5 максимальная глубина обнаружения (расчетная) — 10 м для сухих почв, (30 — 70) м для льда и снежного покрова;

6 температура эксплуатации: (минус 40 — плюс 40) градусов Цельсия;

7 максимальная скорость перемещения георадара: 180 км/ч;

8 время непрерывной работы: 4 часа;

9 режим сканирования с привязкой к расстоянию: одометр, GPS/GLONASS, по времени;

10 помехозащищенность (прежде всего, к «воздушным» помехам) — высокая.

Планы на дальнейшую работу

1 Пройти процедуру лицензирования;

2 Организовать производство и продвижение на рынке георадаров Izh-Terra;

3 При наличии заказчиков осуществлять аналогичные разработки. Как пример, есть желание разработать радар для обнаружения погребенных заживо людей и животных в результате взрывов, землетрясений и других стихийных бедствий. Обнаружение осуществляется методом селекции движущихся целей при малейших движениях жертвы (в том числе дыхания, биения сердца и т.д.).  Насколько мне известно, такая разработка имеется у Sensors&Software и успешно применялась после землетрясения в Непале.

Изображение с сайта sensoft.ca

Буду признателен за конструктивную критику и ценные замечания

С наступающим Новым годом!

Список литературы

1 D.J. Daniels Ground penetrating radar, 2nd edition. The Institution of Electrical Engineers. London. 2004. 752 p.

2 F. Parrini et. al., «ORFEUS GPR: a very large bandwidth and high dynamic range CWSF radar» Proceedings of the 13 International Conference on Ground Penetrating Radar, Lecce. Italy. 2010. pp. 1–5.

3 S.E. Hamran et al. Radar Imager for Mars» Subsurface Experiment—RIMFAX. Space Sci Rev 216, 128 (2020)

4 M. Pieraccini, «Noise performance Comparison Between Continuous Wave and Stroboscopic Pulse Ground Penetrating Radar» // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. vol. 15, no. 2. Feb. 2018. pp. 222–226.

5 Л.Б. Рязанцев, И.Ф. Купряшкин, В.П. Лихачев. Анализ энергетического спектра фазовых шумов сигнала на выходе приемника радиолокатора с непрерывным частотно-модулированным сигналом // ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, ISSN 1684–1719, N6, 2018

© Habrahabr.ru