Повышение углового разрешения и дальности действия измерительных систем, использующих сверхширокополосные сигналы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрена задача получения трехмерных радиоизображений объектов с повышенным разрешением на основе применения сверхширокополосных импульсных сигналов и новых методов их цифровой обработки. Численно решена обратная задача восстановления изображения источника сигналов с разрешением, превышающим критерий Рэлея. Математически задача сводится к решению интегрального уравнения Фредгольма первого рода численными методами, основанными на представлении решения в виде разложения по системам ортогональных функций. Обоснован метод выбора систем используемых функций, повышающий устойчивость решений. Решены вариационные задачи оптимизации формы и длительности сверхширокополосных импульсов, обеспечивающие максимально возможное отношение сигнал/шум при локационных исследованиях объектов с полностью или частично известными характеристиками отражения сигналов. Предлагаемые процедуры позволяют увеличить дальность действия измерительных систем, а также дают возможность повысить устойчивость решений обратных задач. Показано, что привлечение развиваемых методов достижения сверхразрешения к обработке сверхширокополосных сигналов резко улучшает качество 3D-изображений объектов в радиодиапазоне.

Об авторах

Б. А. Лаговский

Российский технологический университет

Email: robertlag@yandex.ru
Москва

Е. Я Рубинович

Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: rubinvch@gmail.com
Москва

Список литературы

  1. Odendaal W., Barnard E., Pistorius C.W.I. Two Dimensional Superresolution Radar Imaging Using the MUSIC Algorithm // IEEE Trans. 1994. Vol. AP-42. No. 10. P. 1386-1391. https://doi.org/10.1109/8.320744
  2. Waweru N.P., Konditi D.B.O., Langat P.K. Performance Analysis of MUSIC Root- MUSIC and ESPRIT DOA Estimation Algorithm // Int. J. Electrical Computer Energetic Electronic and Communication Engineering. 2014. Vol. 08. No. 01. P. 209-216.
  3. Yuebo Zha, Yulin Huang, Jianyu Yang. An Iterative Shrinkage Deconvolution for Angular Super-Resolution Imaging in Forward-Looking Scanning Radar // Progress 88 In Electromagnetics Research B., 2016. V. 65. P. 35-48. https://doi.org/10.2528/PIERB15100501
  4. Almeida M.S., Figueiredo M.A. Deconvolving images with unknown boundaries using the alternating direction method of multipliers // IEEE Trans. Image Process. 2013. Vol. 22. No. 8. P. 3074-3086.
  5. Dudik M., Phillips S.J., Schapire R.E. Maximum entropy density estimation with generalized regularization and an application to species distribution modeling // J. Machine Learning Research. 2007. Vol. 8. P. 1217-1260.
  6. Stoica P., Sharman K.C. Maximum likelihood methods for direction-of-arrival estimation // IEEE Trans. on Acoustics, Speech and Signal Processing. 1990. No. 38(7). P. 1132-1143.
  7. Geiss A., Hardin J.C. Radar super resolution using a deep convolutional neural network // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2020. Vol. 37. No. 12. P. 2197-2207.
  8. Ramani S., Liu Z., Rosen J., Nielsen J., Fessler J.A. Regularization parameter for nonlinear iterative image restoration and MRI selection reconstruction using GCV and SURE- based methods // IEEE Trans. on Image Processing. 2012. V. 21. No. 8. P. 3659-3672.
  9. Morse P., Feshbach H. Methods of Theoretical Physics. McGraw-Hill Science/Engineering/ Math. 1953.
  10. Lagovsky B.A., Rubinovich E.Y. Algebraic methods for achieving super-resolution by digital antenna arrays // Mathematics. 2023. V. 11. No. 4. P. 1-9. https://doi.org/10.3390/math11041056
  11. Lagovsky B.A., Samokhin A.B., Shestopalov Y.V. Angular Superresolution Based on A Priori Information. Radio Science. 2021. V. 56. No. 1. 2021. P. 1-11. https://doi.org/10.1029/2020RS007100
  12. Лаговский Б.А. Угловое сверхразрешение в двумерных задачах радиолокации // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66. № 9. C. 853-858. https://doi.org/10.31857/S0033849421090102
  13. Лаговский Б.А., Рубинович Е.Я. Алгоритмы цифровой обработки данных измерений, обеспечивающие угловое сверхразрешение // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22. № 7. С. 349-356. https://doi.org/10.17587/mau.22.349-356
  14. Калинин В.И., Чапурский В.В., Черепенин В.А. Сверхразрешение в системах радиолокации и радиоголографии на основе MIMO антенных решеток с рециркуляцией сигналов // Радиотехника и электроника. 2021. T. 66. № 6. С. 614-624. https://doi.org/10.31857/s0033849421060139
  15. Щукин А.А., Павлов А.Е. Параметризация пользовательских функций в цифровой обработке сигналов для получения углового сверхразрешения // Russian Technological Journal. 2022. № 10(4). С. 38-43. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-4-38-43
  16. Lagovsky B.A., Samokhin A.B. Superresolution in signal processing using a priori information // IEEE Conf. Publications International Conference Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). Italy. 2017. P. 779-783. https://doi.org/10.1109/ICEAA.2017. 8065365
  17. Dong J., Li Y., Guo Q., Liang X. Through-wall moving target tracking algorithm in multipath using UWB radar // IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2021. P. 1-5. https://doi.org/10.1109/ lgrs.2021.3050501
  18. Khan H.A., Edwards D.J., Malik W.Q. Ultra wideband MIMO radar // Proc. IEEE Intl. Radar Conf. Arlington, VA, USA, 2005. 9 May 2005.
  19. Zhou Yuan, Law Choi Look, Xia Jingjing. Ultra low-power UWB-RFID system for precise location-aware applications // 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Workshops (WCNCW). 2012. P. 154-158.
  20. Taylor J.D. Ultra-wideband Radar Technology. CRC Press Boca Raton, London, New Work, Washington. 2000.
  21. Holami G., Mehrpourbernety H., Zakeri B. UWB Phased Array Antennas for High Resolution Radars // Proc. of the 2013 International Symp. on Electromagnetic Theory, 2013. P. 532-535.
  22. Lagovsky B.A., Samokhin A.B., Shestopalov Y.V. Pulse Characteristics of Antenna Array Radiating UWB Signals // Proceedings of the 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2016). Davos, Switzerland. 2016. P. 2479-2482. https://doi.org/10.1109/EuCAP.2016.7481624
  23. Lagovsky B.A., Samokhin A.B., Shestopalov Y.V. Increasing accuracy of angular measurements using UWB signals. 2017 11th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP) // IEEE Conf. Publications. Paris. 2017. P. 1083-1086. https://doi.org/10.23919/EuCAP.2017.7928204
  24. Anis R., Tielert M. Design of UWB pulse radio transceiver using statistical correlation technique in frequency domain // Advances in Radio Science. 2007. V. 5. P. 297-304. https://doi.org/10.5194/ars-5-297-2007
  25. Niemela V., Haapola J., Hamalainen M., Iinatti J. An ultra wideband survey: Global regulations and impulse radio research based on standards // IEEE Communications Surveys and Tutorials. 2016. V. 19. No. 2. P. 874-890. https://doi.org/10.1109/COMST.2016.2634593
  26. Barrett T. History of UWB Radar and Communications: Pioneers and Innovators // Progress in Electromagnetics Symposium (PIERS) 2000. Microwave Journ, January 2001.
  27. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Генерация последовательности хаотических импульсов при воздействии периодического сигнала на динамическую систему // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. № 22. С. 29. https://doi.org/10.1134/S1064226906050093
  28. Yang D., Zhu Z., Liang B. Vital sign signal extraction method based on permutation entropy and EEMD algorithm for ultra-wideband radar // IEEE Access. 2019. V. 7. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2958600
  29. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча. М.: Советское Радио, 1965.
  30. Ватсон Г.Н. Теория бесселевых функций / пер. со 2-го англ. изд. /М.: ИЛ, 1947.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023