radiostro022020

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 02. С. 1–26 DOI: 10.36027/rdeng.0220.0000163 Представлена в редакцию:

15.02.2020

© Останков А.В., Хрипунов Е.Г.

УДК 621.396.677.7:621.372.833

Рупорная SIW-антенна со специальным копланарным переходом и диэлектрической линзой для питания планарной антенны вытекающей волны Останков А.В.1,*, Хрипунов Е.Г.1 1

Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия

Для питания малогабаритной антенны вытекающей волны диапазона КВЧ разработана H-плоскостная рупорная SIW-антенна, отличительной особенностью которой является высокая эффективность и расширенная полоса частот. Достигается это за счёт тщательного отбора конструкции функциональных элементов антенны и оптимизации их геометрических параметров, а также применения авторской модификации копланарного перехода и неоднородной диэлектрической линзы. Детально описаны все этапы проектирования антенны. Так, изложены особенности проектирования волновода, выполненного по SIW-технологии, приведены соотношения для расчета его основных размеров. Определены условия выбора конструкции перехода к SIW от микрополосковой линии и заземленных копланарных волноводов (GCPW). Рассмотрен нестандартный копланарный переход с дополнительной преобразованной заземленной поверхностью (EGCPW). Предложен оригинальный, более эффективный EGCPW-переход со щелями (SEGCPW) и даны рекомендации по его настройке. Выполнен анализ H-плоскостного SIW-рупора и приведена методика выбора его оптимальных размеров. Установлена зависимость эффективной диэлектрической проницаемости от диаметра сквозного отверстия элементарной ячейки диэлектрической линзы. Методом конечных интегралов Вейланда выполнен электродинамический анализ разработанного устройства возбуждения антенны вытекающей волны. Ключевые слова: SIW; заземленный копланарный волновод; рупорная антенна; эффективная диэлектрическая проницаемость; диэлектрическая линза; антенна вытекающей волны

Введение Антенны вытекающей волны (АВВ), более известные в отечественной литературе как антенны дифракционного излучения, используют эффект взаимного преобразования замедленной поверхностной волны диэлектрического волновода в объемную (сферическую) волну, излучаемую в свободное пространство, с помощью периодической дифракционной решетки [1]. Особой интерес у потребителей они вызывают благодаря способно-

Радиостроение

1

сти формировать узконаправленный луч с возможностью сканирования диаграммы направленности (ДН) за счет изменения рабочей частоты [1–3]. Одной из сложных задач при проектировании антенн вытекающей волны является разработка устройства питания излучающей апертуры. Для экранированных АВВ, возбуждаемых волнами типа ТЕ, экспериментально подтвержденные данные о конструкциях устройств питания представлены в [4,5]. В работе [6] описана плоская АВВ с узкими щелями и широкими лентами, возбуждаемая волнами TM-типа, в которой в качестве питающего устройства использован прямоугольный металлический волновод с квази-TEMгребнем. Как показывают результаты анализа, антенна эффективно излучает в диапазоне 27,5–29,5 ГГц. Позднее, в работе [7], для АВВ с аналогичной структурой питающее устройство было заменено на интегрированную в ту же подложку рупорную антенну. Заметим что, оба варианта [6,7] соответствуют конструкции излучающего раскрыва, при котором питающая волна распространяется в линии полуоткрытого типа. Вариант излучающего раскрыва с узкими лентами, при котором питание излучающего раскрыва антенны осуществляется поверхностной волной, требует более пристального изучения. Таким образом, целью работы является разработка методики проектирования рупорной антенны, выполненной на основе SIW-технологии, функционирующей в диапазоне частот, превышающем в 1,5–2 раза базовую конструкцию, описанную в [6], ориентированную на диэлектрическую нагрузку, при условии последующей интеграции с различными видами квазипериодических структур на одной подложке.

1. Общий анализ предполагаемой к использованию SIW-структуры Волновод, интегрированный в подложку (SIW), представляет собой структуру, образованную двумя рядами металлических переходных отверстий, соединяющих две параллельные металлические пластины, которые сверху и снизу ограничивают диэлектрическую подложку (рис. 1).

Рис. 1. Интегрированный в подложку волновод (SIW)

Поскольку при переходе от традиционного металлического прямоугольного волновода вертикальные стенки заменяются металлическими переходными отверстиями, то моды, поддерживаемые SIW несколько схожи с модами, распространяющимися в металлическом волноводе, но все же отличаются от них. Из рис. 1 следует, что по образующим Радиостроение

2

переходных отверстий могут протекать только вертикально ориентированные токи и, следовательно, SIW-структура может поддерживать лишь моды с вертикальными составляющими вектора электрического поля

. В работах [8,9] показано, что рассматриваемая

SIW-структура канализирует только -волны, причём тип является основным. Таким образом, SIW является подходящим вариантом направляющей структуры, способной обеспечивать передачу энергии на одной доминирующей моде так же, как и традиционный прямоугольный волновод. Основными параметрами конструкции SIW, показанной на рис. 1, являются: диаметр металлических переходных отверстий, расстояние между центрами соседних отверстий (шаг следования), эквивалентная ширина прямоугольного волновода, заполненного диэлектриком и ширина собственно SIW. Заметим, что толщина не влияет на постоянную распространения основной моды , что дает определённую степень свободы при выборе конкретной подложки. Проектирование SIW может осуществляться на основе классической теории распространения волн в металлическом волноводе при условии замены реальной ширины волновода эквивалентной шириной . Последняя – есть параметр эквивалентного металлического прямоугольного волновода с диэлектрическим заполнением, имеющего ту же частоту среза основной моды , что и рассматриваемая SIW-структура. Критическая частота волновода, интегрированного в подложку, с учетом диаметра металлизированных переходных отверстий и периода их следования найдена в работе [10] и для первых двух высших типов волн и может быть определена как: (1) (2) где – скорость света в вакууме; – относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки; – ширина волновода, интегрированного в подложку. Формулы (1) и (2) справедливы при использовании в SIW-структурах отверстий с диаметром , где – длина волны в свободном пространстве, и периодом следования . Исследование влияния соотношения геометрических параметров и к длине направляемой SIW-структурой волны на обратные потери и потери, связанные с утечкой при излучении, выполнено в работе [11]. Было установлено, что при отсутствии потерь в диэлектрике и проводниках для минимизации указанных выше потерь диаметр переходных отверстий и период их следования должны удовлетворять следующим размерным ограничениям: (3) Радиостроение

3

(4) Кроме того, в работе [10] на основе соотношения (1) установлена эмпирическая зависимость, связывающая эквивалентную ширину эквивалентного металлического волновода, заполненного диэлектриком, и ширину волновода подложку:

, интегрированного в

(5) Для получения более точных значений формула (5) в [9] приведена к виду, в большей степени учитывающему взаимосвязь диаметра отверстий и эквивалентной ширины : (6) Уравнение (6) дает хорошее приближение в случае, когда и . Однако стоит отметить, что расчет ширины по формуле (6) является более сложной задачей по сравнению с использованием (5), поскольку искомое значение находится в знаменателе квадратичной функции. Эквивалентная ширина также может быть найдена согласно [12] как: (7) где

– ширина эквивалентного воздушного прямоугольного волновода, который обла-

дает теми же частотными характеристиками распространения волны, что и рассматриваемый, интегрированный в подложку, волновод. С использованием соотношений (1)–(5), (7) применительно к полосе частот 40–52 ГГц определены основные размеры SIW-структуры на рис. 1. По найденным параметрам методом конечных интегралов Вейланда реализованы модели SIW на подложках Rogers RO с различными значениями диэлектрической проницаемости. Длина SIW-структуры во всех случаях составляла . Получены кривые коэффициентов отражения SIWструктур (рис. 2,а) и передачи (рис. 2,б) в режиме «из конца в конец», которые свидетельствуют об эффективности работы SIW в режиме передачи, а также позволяют выбрать предпочтительный тип подложки.

Рис. 2. Частотные зависимости коэффициентов отражения

Радиостроение

(а) и передачи

(б) SIW-структур

4

2. Анализ переходов к SIW-структурам и выбор предпочтительного типа Для перекачки энергии в SIW-структуру или ее интеграции с другими компонентами схемы используются специальные переходы. Наиболее часто применяются два вида переходов: конусообразный микрополосковый переход (MLS) и заземленный копланарный волновод (GCPW). В отличие от аналогичных относительно дорогостоящих объемных компонент они могут быть выполнены на одной подложке с рассматриваемым SIWэлементом, что позиционирует их как более выгодные в плане цены и регулировки [13].

MLS-переход (рис. 3,а) состоит из прямоугольной микрополосковой 50- линии и конусообразного четвертьволнового трансформатора, который подключается непосредственно к верхней металлической стенке SIW.

Рис. 3. Конусообразный микрополосковый переход (а), направление силовых линий электромагнитного поля в переходе (б, в)

Благодаря простоте структуры такого перехода оптимальный размер конусообразного трансформатора для согласования импедансов SIW и линии передачи можно подобрать путем прямой настройки его ширины и длины при моделировании. Кроме того, в работе [14] приведено аналитическое выражение, которое позволяет для любого типа подложки с диэлектрической проницаемостью и толщиной достаточно точно определить ширину образующего переход конуса:

(8)

где

– ширина 50- микрополосковой линии. Как видно из рис. 3,б и в, еще одним преимуществом MLS-перехода над GCPW яв-

ляется то, что распределение входного поперечного нию

поля SIW аналогично распределе-

поля внутри подложки микрополосковой линии. Следовательно, подложки этих

Радиостроение

5

структур могут быть объединены в одной плоскости. Также конусообразные MLS имеют более широкую полосу пропускания и относительно просты в изготовлении, поскольку для реализации GCPW-перехода необходимо выполнить две параллельные щели с высокой точностью, чтобы минимизировать обратные потери. Для анализа MLS-перехода и заземленных копланарных переходов взята подложка Rogers RO3110 с . Материал с таким значением диэлектрической проницаемости выбран неслучайно. Поскольку в рамках исследования синтезируется устройство питания для АВВ с частотным сканированием, то для обеспечения максимальной угло-частотной чувствительности АВВ в прямом направлении желательно, чтобы [15]. С использованием электромагнитного моделирования методом Вейланда получены коэффициенты отражения (рис. 4,а) и передачи (рис. 4,б) для структуры MLS-SIWMLS в режиме «из конца в конец» для различных значений толщины подложки.

Рис. 4. Частотные зависимости коэффициентов отражения (а) и передачи MLS-SIW-MLS для различных значений толщины подложки

(б) структуры

Заметим, что с увеличением толщины подложки увеличивается и ширина микрополосковой линии. Это связано с необходимостью поддерживать 50- -импеданс между передатчиком/приемником и MLS-переходом. Иногда такое увеличение может привести к нежелательным потерям, связанным с излучением. Если нельзя пренебречь таким эффектом, как, например, в полосе частот (47–52 ГГц) анализируемой MLS-SIW-MLSструктуры (рис. 4), следует использовать заземленные копланарные переходы. Одним из них является так называемый токовый зонд (рис. 5) [16].

Рис. 5. Заземленный копланарный переход с токовым зондом

Радиостроение

6

Как видно из рис. 5, для обеспечения наиболее полной перекачки энергии в одном направлении металлизированное переходное отверстие (токовый зонд), которое расположено у разрыва GCPW линии на расстоянии

от начала волновода, должно быть на-

коротко замкнуто. Заземленный копланарный волновод с токовым зондом служит для трансформации передающей линии от волновода к планарной структуре и может быть легко интегрирован в устройство на поздних стадиях разработки. Поскольку характеристическое сопротивление GCPW практически не зависит от толщины подложки и обладает значениями, близкими к значениям сопротивления SIW, потери на излучение при использовании GCPW по сравнению с MLS уменьшаются [17]. Заметим, что для всех типов заземленных копланарных волноводов обязательным является наличие переходных отверстий вдоль всей передающей линии. Это предотвратит проникновение паразитных волноводных мод, распространяющихся в направлении от SIW. С использованием электромагнитного моделирования получены коэффициенты отражения

и передачи

для GCPW-SIW-GCPW-структуры на подложке Rogers

RO3110 c мм. Их частотные зависимости показаны на рис. 6. Из рис. 6 видно, что в полосе частот 47–52 ГГц, в границах которой у MLS-SIW-MLS-структуры наблюдалось катастрофическое ухудшение коэффициента передачи (рис. 4,б), заземленный копланарный волновод с токовым зондом, наоборот, характеризуется минимальными потерями.

Рис. 6. Частотные зависимости коэффициентов отражения (сплошная) и передачи GCPW-SIW-GCPW-структуры

(пунктир)

Другой переход от GCPW к SIW-структуре, показанный на рис. 7,а и впервые описанный в работе [18], включает согласующие щели. Согласующие щели, как видно из рис.

7,б, выступают в роли магнитной дипольной антенны, у которой амплитуда поперечного поля наиболее велика в центре и убывает к краю щели.

Радиостроение

7

Рис. 7. Заземленный копланарный переход с согласующими щелями (а), направление линий электромагнитного поля в переходе (б)

С использованием электромагнитного моделирования получены коэффициенты отражения и передачи (рис. 8) для GCPW-SIW-GCPW-структуры на подложке Rogers RO3110 c мм при условии наличия у GCPW согласующих щелей.

Рис. 8. Частотные зависимости коэффициентов отражения (сплошная) и передачи GCPW-SIW-GCPW-структуры с согласующими щелями

(пунктир)

Поскольку переходы с токовым зондом и согласующими щелями зачастую не способны обеспечить требуемую полосу частот, от которой зависит максимальный сектор сканирования АВВ, имеет смысл отдать предпочтение GCPW, у которого согласующие щели и конусообразный четвертьволновый трансформатор интегрированы (рис. 9) [18,19].

Рис. 9. Заземленный копланарный переход с согласующими щелями и конусообразным трансформатором

Радиостроение

8

Щели у показанного на рис. 9 перехода также играют роль преобразователя заданного импеданса GCPW в произвольный импеданс SIW-структуры, а конусообразный четвертьволновый трансформатор гарантирует более широкую полосу пропускания. Заметим, что как и в предыдущих вариантах реализации GCPW-перехода обязательным является наличие переходных отверстий и плавное сужение области их ограничения вдоль согласующих щелей. Такая мера позволяет предотвратить потери на излучение и дает возможность избежать нежелательных резонансов в рабочей полосе частот, гарантируя при этом одномодовый режим распространения, для обеспечения которого необходимо выполнение следующего условия [14]: (9) где

– ширина полосы основной линии GCPW; – зазор между основной линией и параллельной ей плоскости заземления; – расстояние от края плоскости заземления до края переходного металлического отверстия; – максимальная рабочая частота. С использованием электромагнитного моделирования получены коэффициенты отражения (рис. 10,а) и передачи (рис. 10,б) GCPW-SIW-GCPW-структуры с согласующими щелями и конусообразным трансформатором на подложке Rogers RO3110 для разных значений толщины .

Рис. 10. Частотные зависимости коэффициентов отражения (а) и передачи (б) GCPW-SIW-GCPWструктуры с согласующими щелями и конусообразным трансформатором

Как видно из рис. 10,б, при толщине подложки мм имеет место практически полное отражение энергии на входе GCPW, о чем свидетельствуют глубокие провалы коэффициента передачи . Однако для реализации АВВ в рассматриваемой частотной области подложка такой толщины является наиболее предпочтительной. Связано это с тем, что для указанного выше значения именно такая толщина гарантирует одномодовый характер диэлектрического волновода, нагружаемого дифракционной решеткой, а также выполняется условие его радиопрозрачности. Один из возможных способов разрешения подобной проблемы предложен в работе [20]. Там GCPW-переход с согласующими щелями и конусным трансформатором распоРадиостроение

9

лагался над преобразованной заземленной поверхностью (рис. 11), которая была приподнята на расстояние половины высоты подложки . Такой переход получил название EGCPW-перехода.

Рис. 11. EGCPW-переход: вид сверху (а) и сзади (б)

Данные работы [20] свидетельствуют о том, что преобразованная заземленная поверхность клинообразной формы обеспечивает наилучшие частотные характеристики прохождения и отражения из целого ряда поверхностей разнообразной формы. Там же установлено, что переход от GCPW к SIW-структуре, выполненной на подложке типа Arlon TC600 с относительной диэлектрической проницаемостью и толщиной 2 мм, на центральной частоте ГГц демонстрирует сходные с EGCPW-переходом показатели при сохранении материала подложки, но увеличении её толщины вдвое. Авторами настоящей работы впервые предложен модифицированный EGCPW-переход со щелями в преобразованной заземленной поверхности – Slot EGCPW (SEGCPW) (рис. 12). Щели прямоугольной формы выполняются в конусообразной части поверхности с фиксированным шагом перпендикулярно направлению распространения волны так, чтобы первая щель в продольном направлении располагалась несколько дальше точки окончания согласующих щелей конусообразного четвертьволнового трансформатора.

Рис. 12. Предлагаемый SEGCPW-переход

Радиостроение

10

Заметим, что помимо размеров EGCPW-перехода, которые предложены в [20], при переходе к SEGCPW-переходу добавляются параметры, определяющие размеры и позицию щелей на клинообразной поверхности. Наиболее важным при этом является зазор между щелью и краем поверхности: . Для различных значений на основе электромагнитного моделирования в режиме «из конца в конец» получены коэффициенты отражения для SEGCPW-SIW-SEGCPW-структуры (рис. 13). При этом шаг следования щелей взят равным мм, ширина щелей – мм, ширина равна ширине конусообразного трансформатора мм, характерные длины участков перехода – мм, , .

Рис. 13. Частотные зависимости коэффициентов отражения различных значений зазоров

SEGCPW-SIW-SEGCPW-структуры для

Еще одним критичным параметром, величина которого может существенно влиять на характеристики распространения, является ширина щелей , для разных значений которой также получены кривые (рис. 14). При этом зазоры мм были выбраны на основе результатов моделирования, отраженных на рис. 13.

Рис. 14. Частотные зависимости коэффициентов отражения SEGCPW-SIW-SEGCPW-структуры для разных значений ширины щелей

Радиостроение

11

В дополнение к ним получены коэффициенты отражения (рис. 15) для разных значений длины конуса заземленной поверхности и величины шага щелей . При этом ширина щелей на основе анализа рис. 14 взята равной мм, а остальные размеры остались без изменений.

Рис. 15. Частотные зависимости коэффициентов отражения SEGCPW-SIW-SEGCPW-структуры для разных значений длины конуса заземленной поверхности и шага щелей

Таким образом, за счет оптимального подбора величины зазоров между щелями и краем поверхности , ширины щелей , а также шага и длины конуса заземленной поверхности можно добиться значений коэффициента отражения , меньших «минус» 15 дБ в полосе частот, превышающей 3 ГГц. Дальнейшая оптимизация может быть выполнена за счет последовательного подбора размеров индивидуально каждой щели. В целях сравнения переходов EGCPW и SEGCPW получены частотные зависимости коэффициентов отражения (рис. 16,а) и коэффициента стоячей волны (КСВ) (рис.

16,б). При этом размеры заземленной поверхности взяты одинаковыми, отличие заключалось лишь в наличии щелей у SEGCPW-перехода, размеры которых были выбраны на основании указанных выше результатов моделирования.

Рис. 16. Зависимости коэффициента отражения (а) и КСВ (б) от частоты для EGCPW и SEGCPW-переходов

Радиостроение

12

Как видно из рис. 16, предложенный SEGCPW-переход обладает коэффициентом отражения в полосе частот 44–49 ГГц, на 10 дБ меньшим, чем у EGCPW-перехода. При этом значение КСВ для EGCPW-перехода в полосе частот 44–47 ГГц составляет около 2, тогда как у SEGCPW-перехода КСВ меньше 1,5. Таким образом, применение предложенной модификации перехода для рассматриваемой частотной области и типа подложки Rogers RO3110 c мм обосновано и предпочтительно.

3. Расчет геометрии H-плоскостного SIW-рупора Как известно, рупорные антенны обладают высоким коэффициентом усиления, имеют широкую полосу пропускания и достаточно просты в изготовлении. Для анализа излучения рупоров обычно используется классическая теория апертурных антенн. Первая H-плоскостная рупорная антенна, выполненная по технологии SIW (рис. 17), была представлена в работе [21]. Поскольку внутренний объем такой антенны заполнен диэлектрическим материалом, возникла проблема, связанная со снижением излучательной способности из-за отражения электромагнитной волны на границе раздела «диэлектрик-воздух». В связи с этим в работе [22] SIW-рупор дополнен диэлектрической нагрузкой для улучшения согласования со свободным пространством. Также в подобных антеннах нередко появление фазовых ошибок из-за разницы длин от центра ввода энергии до края рупора. Такая проблема решается, например, путем деления рупора на дополнительные секторы, как подробно описано в работе [23].

Рис. 17. H-плоскостной SIW-рупор (вид сверху)

Размеры SIW-рупора (рис. 17) могут быть рассчитаны в соответствии со следующими соотношениями [22]: (10)

Радиостроение

13

(11) (12) где

– ширина апертуры; – общая длина рупора; – эквивалентная ширина волновода.

Поиск оптимальных размеров рупора может выполняться, например, на основе анализа зависимости его коэффициента усиления (КУ) или коэффициента направленного действия (КНД) от ширины апертуры для различных длин , получаемой на основе электромагнитного моделирования. Для рассматриваемого рупора с SEGCPW-переходом без нагрузки получена зависимость КУ от ширины апертуры при фиксированных значениях длин (рис. 18).

Рис. 18. Зависимость КУ SIW-рупора от ширины апертуры при фиксированных значениях

Как видно из рис. 18, для каждой длины антенны существует оптимальная апертура . При этом с увеличением увеличивается и , а прирост КУ уменьшается.

4. Расчет диэлектрической нагрузки SIW-рупора Как уже отмечалось выше, в отличие от обычного рупора, заполненного воздухом, SIW-рупор выполняется на подложке из диэлектрика, значение которого может в несколько раз превышать единицу. В результате этого на границе апертуры рупора со свободным пространством происходит частичное отражение электромагнитной волны из-за разницы диэлектрической проницаемости. В случае исполнения SIW-рупора и АВВ на единой подложке такого явления наблюдаться не будет, однако, может потребоваться создание разности диэлектрической проницаемости между выходом SIW-рупора и дифракционной решёткой, чтобы обеспечить эффект приходящей извне волны. Такой подход актуален в ситуации решётки с узкими лентами и широкими щелями. Также всегда существует необходимость обеспечения равномерного фазового распределения на входе АВВ. Радиостроение

14

Поэтому и в ситуации согласования SIW-рупора со свободным пространством, и в случае возбуждения с АВВ предлагается использование диэлектрической линзы. Заметим, что поскольку питающее устройство АВВ здесь рассматривается в отдельности, то основные характеристики рупорной SIW-антенны будут определяться для случая согласования диэлектрика с воздухом. В случае тонкой диэлектрической подложки, то есть когда ее толщина меньше значения , применяются различные печатные структуры. В работах [24-26] приведены результаты моделирования антенны с толщиной подложки , где в качестве устройства согласования предложен слоистый печатный переход (рис. 18, а). Переход представляет собой совокупность двух параллельных пластинчатых резонаторов, разделенных зазорами и выполненными на той же диэлектрической пластине, что и SIW-рупор. Однако для ситуации питания SIW-рупором АВВ применение подобной слоистой структуры может вызвать нежелательное преждевременное рассеяние электромагнитных волн и сместить рабочий диапазон угловых направлений излучения антенны.

Рис. 19. Рупорные SIW-антенны с различными вариантами диэлектрической нагрузки: со слоистым переходом (а), со сплошной диэлектрической линзой (б), с диэлектрической линзой с отверстиями (в)

Сплошная линза (рис. 19,б) в качестве устройства согласования менее эффективна по сравнению с линзой, в которой выполнены отверстия (рис. 19,в). В последнем случае за счёт непрерывного или дискретного увеличения диаметра отверстий (рис. 20) можно добиться уменьшения эффективной диэлектрической проницаемости и, соответственно, обеспечить наилучшее согласование. В работе [27] представлена рупорная SIW-антенна, нагруженная диэлектрической линзой с отверстиями различного диаметра и реализованная на подложке толщиной мм ( ) и диэлектрической проницаемостью . Результаты исследования в диапазоне от 16 до 24 ГГц показали, что такой подход обеспечивает улучшение согласования на 40% по сравнению с такой же антенной, но без применения перфорированной линзы. Также за счёт вариации диаметра отверстий по ширине апертуры можно добиться более равномерного фазового распределения [28].

Радиостроение

15

Рис. 20. Диэлектрические линзы с различными вариациями диаметров отверстий

Для разработки диэлектрической линзы с несколькими областями (рис. 20,в,г), имеющими разные диэлектрические проницаемости и, соответственно, диаметры отверстий выполнено электромагнитное моделирование. Его целью стало выявление зависимости эффективной диэлектрической проницаемости элементарной ячейки периодической структуры (рис. 20,а) от диаметра сквозного отверстия – . Как установлено в [29], чтобы подтвердить теорию эффективной среды размер элементарной ячейки должен быть менее одной десятой длины волны. Однако для интересующего нас диапазона частот 40–52 ГГц и используемой подложки Rogers RO3010 отверстия в ячейках подобных размеров становятся технически нереализуемыми. Поэтому принято решение использовать при расчетах такие размеры элементарной ячейки, чтобы максимальный диаметр отверстия не выходил за пределы интервала , где – длина волны, направляемой SIW. Эффективная диэлектрическая проницаемость

ячейки с размерами 0,4 0,4 1,28

мм и ориентацией сквозного отверстия диаметром перпендикулярно направлению распространения волны рассчитана с помощью Eigen mode Solver пакета CST на центральной частоте диапазона =46 ГГц и с использованием соотношения: (13) где

– заданный сдвиг фаз; – постоянная распространения волны, определяемая в пределах длины одной элементарной ячейки периодической структуры (0,4 мм) для заданного ; Радиостроение

16

– частота, которой для заданного диаметра отверстия соответствует ; – скорость света в вакууме. Результаты расчета представлены на рис. 21, который использован для разработки диэлектрической линзы с несколькими периодически перфорированными областями, имеющими разные диаметры отверстий.

Рис. 21. Зависимость эффективной диэлектрической проницаемости

ячейки периодической структуры

от диаметра сквозного отверстия

5. Разработанное устройство питания антенны вытекающей волны Краткое описание составных элементов разработанной рупорной SIW-антенны для питания АВВ (рис. 22) приведено ниже, основные размеры указаны в таблице.

Рис. 22. Общий вид разработанной рупорной SIW-антенны для питания АВВ

Радиостроение

17

Позицией 1 на рис. 22 обозначен переход от копланарной линии передачи к интегрированной в подложку структуре (GCPW-to-SIW). Заметим, что использованный переход является оригинальным, поскольку содержит дополнительную преобразованную заземленную поверхность с квазипериодическими щелями (позиция 2). Позицией 4 обозначена перфорированная диэлектрическая линза с тремя областями периодических неоднородностей. Рупор (позиция 3), выполненный по технологии SIW и нагруженный перфорированной диэлектрической линзой, является предполагаемым источником поверхностной волны, предназначенной для возбуждения излучающего раскрыва АВВ. Основные размеры элементов рупорной SIW-антенны Параметр

Размер, мм 0,30

Параметр

Размер, мм =0,88

Параметр

Размер, мм 0,2

0,74

0,05

1,95

0,23

0,1

0,30

0,05

0,1

0,50

1,10

0,1

7,50

=0,44

0,05

4,05

1,10

0,05

0,18

0,64

0,05

0,28

0,05

0,36

=0,22

Для описанной рупорной SIW-антенны методом конечных интегралов Вейланда получены частотные зависимости коэффициента отражения (рис. 23) для разных вариантов исполнения диэлектрической линзы (рис. 20), диаметры отверстий которых подобраны в соответствии с данными рис. 21, а также для вариантов линзы без отверстий и её отсутствия.

Рис. 23. Частотные зависимости коэффициента отражения по входу рупорной SIW-антенны для разных вариантов исполнений диэлектрической линзы, а также в случае ее отсутствия

Рассчитаны диаграммы направленности антенны в H-плоскости (рис. 24) и полная эффективность антенны (рис. 25). Радиостроение

18

Рис. 24. Диаграмма направленности разработанной рупорной SIW-антенны в H-плоскости: 46,5 ГГц (а), 47,5 ГГц (б), 48,5 ГГц (в), 49,5 ГГц (г)

Рис. 25. Полная эффективность разработанной рупорной SIW-антенны

Радиостроение

19

Как видно из рис. 25, разработанное устройство питания для АВВ имеет полную эффективность более 85% на частотах от 46,7 до 49,4 ГГц.

Заключение Выполнен полномасштабный синтез устройства питания для антенн вытекающей волны, представляющего собой H-плоскостную рупорную SIW-антенну, нагруженную диэлектрической линзой со сквозными отверстиями. Для передачи энергии в SIW-структуру, выполненную на толстой подложке, предложен оригинальный и более эффективный по сравнению с известными аналогами SEGCPW-переход, дополнительная заземленная поверхность которого содержит специальные щели. С точки зрения оптимального выбора рассмотрены наиболее распространенные типы волноводных переходов к SIW, включая микрополосковые линии (MSL) и заземленные копланарные волноводы (GCPW). Определены условия выбора конструкции перехода в зависимости от ширины полосы пропускания и габаритов подложки. На основе электромагнитного моделирования элементарной ячейки для перфорированной диэлектрической линзы установлена зависимость эффективной диэлектрической проницаемости от диаметра сквозного отверстия. Показано, что устройство питания имеет полную эффективность более 85 % в диапазоне частот около 3 ГГц и не менее 67 % – в полосе 4 ГГц или 8 % (от 46 до 50 ГГц).

Список литературы 1. Шестопалов В.П. Физические основы миллиметровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. Киев: Наукова думка, 1985. 216 с.

2. Евдокимов А.П. Антенны дифракционного излучения // Физические основы приборостроения. 2013. Т. 2, № 1. С. 108–124.

3. Крюков Д.Ю., Останков А.В. Рефлексивный анализ возможностей и основных конструктивно-технических характеристик антенн дифракционного излучения на основе периодических замедляющих структур // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13, №1. С. 95-103.

4. Honey R. A flush-mounted leaky-wave antenna with predictable patterns // IRE Transactions on Antennas and Propagation. 1959. Vol. 7. No. 4. P. 320–329. DOI: 10.1109/TAP.1959.1144703.

5. Ghomi M., Lejay B., Amalric J., Baudrand H. Radiation characteristics of uniform and nonuniform dielectric leaky-wave antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1993. Vol. 41. No. 9. P. 1177–1186. DOI: 10.1109/8.247743.

6. Sharkawy M.A., Foroozesh A., Kishk A.A., Paknys R. A robust horn ridge gap waveguide launcher for metal strip grating leaky wave antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. No.12. P. 6019–6026. DOI: 10.1109/TAP.2014.2364050.

7. Cai Y., Zhang Y., Qian Z. Design of planar leaky wave antenna fed by substrate integrated waveguide horn // Frequenz. 2017. Vol. 72. No. 1–2. P. 33–37. DOI: 10.1515/freq-2016-0290. Радиостроение

20

8. Wu K., Deslandes D., Cassivi Y. The substrate integrated circuits – a new concept for highfrequency electronics and optoelectronics // 6th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Service (TELSIKS’03). 2003. P. 3–10.

DOI: 10.1109/TELSKS.2003.1246173.

9. Xu F., Wu K. Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53. No. 1. P. 66–73.

DOI: 10.1109/TMTT.2004.839303.

10. Cassivi Y., Perregrini L., Arcioni P., Bressan M., Wu K., Conciauro G. Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2002. Vol. 12. No. 9. P. 333–335. DOI: 10.1109/LMWC.2002.803188.

11. Deslandes D., Wu K. Single-substrate integration technique of planar circuits and waveguide components // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2003.

Vol. 51. No. 2. P. 593–596. DOI: 10.1109/TMTT.2002.807820 12. Bozzi M., Xu F., Deslandes D. Wu K. Modeling and Design Considerations for Substrate Integrated Waveguide Circuits and Components // 8th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services. 2007. P. 26–28.

DOI: 10.1109/TELSKS.2007.4375921.

13. Bozzi M., Perregrini L., Wu K., Arcioni P. Current and Future Research Trends in Substrate Integrated Waveguide Technology // Radioengineering. 2009. Vol. 18, No. 2. http://www.radioeng.cz/fulltexts/2009/09_02_201_209.pdf.

14. Deslandes D. Design Equations for Tapered Microstrip-to-Substrate Integrated Waveguide Transitions // 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. 2010.

DOI: 10.1109/MWSYM.2010.5517884.

15. Mahmoud S., Antar Y.M. Printed Leaky Wave Antennas. Chapter 13. Wiley Telecom. 2011.

DOI: 10.1002/9780470973370.ch13.

16. Deslandes D., Wu K. Analysis and design of current probe transition from grounded coplanar to substrate integrated rectangular waveguides // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53. No. 8. P. 2487–2499.

DOI: 10.1109/TMTT.2005.852778.

17. Kazemi R., Fathy A.E., Yang S., Sadeghzadeh R.A. Development of an ultra wide band GCPW to SIW transition // IEEE Radio and Wireless Symposium. 2012. P. 171–174.

DOI: 10.1109/TMTT.2005.852778.

18. Lin S., Yang S., Fathy A. Development of a novel UWB Vivaldi antenna array using SIW technology // Progress In Electromagnetics Research (PIER 90). 2009, P. 369–384.

DOI: 10.1109/APS.2005.1551392.

19. Yang S., Elsherbini A., Lin S., Fathy A., Kamel A., Elhennawy H. A highly efficient Vivaldi antenna array design on thick substrate and fed by SIW structure with integrated GCPW feed // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 2007.

P. 1985–1988. DOI: 10.1109/APS.2007.4395912. Радиостроение

21

20. Cai Y., Qian Z., Cao W., Zhang Y., Jin J., Yang L., Jing N. Compact Wideband SIW Horn Antenna Fed by Elevated-CPW Structure // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2015. Vol. 63. No. 10. P. 4551–4557. DOI:10.1109/TAP.2015.2456936.

21. Li Z.-L. Wu K., Denidni T.A. A new approach to integrated horn antenna // 10th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics and URSI Conference. 2004, P. 535–538. DOI: 10.1109/ANTEM.2004.7860646.

22. Wang H., Fang D.-G., Zhang B., Che W.-Q. Dielectric loaded substrate integrated waveguide (SIW) H-plane horn antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation.

2010. Vol. 58. No. 3. P. 640–647. DOI: 10.1109/TAP.2009.2039298.

23. Wang L., Yin X., Li S., Zhao H., Liu L., Zhang M. Phase Corrected Substrate Integrated Waveguide H-Plane Horn Antenna With Embedded Metal-Via Arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. No. 4. P. 1854–1861.

DOI: 10.1109/TAP.2014.2298042.

24. Morote M.E., Fuchs B., Mosig J.R. Analytical model of a printed transition for SIW antennas // 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). 2012. P. 414–417.

DOI: 10.1109/EuCAP.2012.6206105.

25. Morote M.E., Fuchs B., Zurcher J.F., Mosig J.R. A printed transition for matching improvement of SIW horn antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013.

Vol. 61. No. 4. P. 1923–1930. DOI: 10.1109/TAP.2012.2231923.

26. Morote M.E., Fuchs B., Zurcher J.F., Mosig J.R. Novel thin and compact H-plane SIW horn antenna // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. Vol. 61. No. 6.

P. 2911–2920. DOI: 10.1109/TAP.2013.2254449.

27. Cai Y., Qian Z.-P., Zhang Y.-S., Jin J., Cao W-Q. Bandwidth Enhancement of SIW Horn Antenna Loaded With Air-Via Perforated Dielectric Slab // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2014. Vol.13. P. 571–574. DOI: 10.1109/LAWP.2014.2312917.

28. Zhang Y., Cai Y., Zhang H., Yang T., Ni W., Jin J. Broadband implementation of SIW horn antenna with air-via dielectric slab // IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). 2015. P. 563–567. DOI:10.1109/APCAP.2015.7374489.

29. Xi C., Ma H.F., Xia Y.Z., Jiang W.J. Three-dimensional broadband and high-directivity lens antenna made of metamaterials // Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 110. No. 4.

P. 044904–044904-8. DOI: 10.1063/1.3622596.

Радиостроение

22

Radio Engineering, 2020, no. 02, pp. 1–26.

DOI: 10.36027/rdeng.0220.0000163 Received:

15.02.2020

Š A.V. Ostankov, E.G. Khripunov

SIW Horn Antenna with a Special Coplanar Transition and Dielectric Lens for Feeding a Leaky-Wave Antenna A.V. Ostankov1,*, E.G. Khripunov1 1

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Keywords: SIW; grounded coplanar waveguide (GCPW); horn antenna; effective permittivity; dielectric lens; leaky-wave antenna

The paper describes the main phases and features in designing a feeder for a leaky-wave antenna in the Ka-band. The problem of feeding can be effectively solved using a horn antenna SIW technology-based and single substrate-integrated with the radiating aperture of the leakywave antenna. Unlike most similar studies, where an aperture exciting from a closed-type structure is analyzed, in our work the open-type antenna feeder is synthesized.

In the paper, we give a brief overview of the main achievements in designing traditional SIW-structures and present relations for their calculation. Basing on results of electromagnetic modeling, determine the influence of the substrate permittivity on the efficiency of SIW transmission line by the method of finite Weiland integrals. Consider the most popular types of the waveguide transitions to SIW, including micro-strip lines and grounded coplanar waveguides (GCPW). Depending on the required bandwidth and substrate dimensions specify conditions for selecting a design type of the waveguide transition.

A special attention is paid to the non-standard coplanar transition with an elevated grounded surface (EGCPW), which is worth using if the substrates are thick. It was used as a basis for designing a new, more efficient EGCPW transition with the elevated grounded surface, which contains specially made slots (SEGCPW). Recommendations for its adjustment are given.

The dependences of the gain on the aperture width for the H-plane SIW horn antenna, which are used to select its optimal size, are obtained basing on simulation. It was found that for matching the feeder with the leaky-wave antenna and decreasing the side lobes level, a dielectric lens with through holes worth using. Basing on the simulation of the unit cell of the lens the dependence of the effective permittivity on the diameter of the through hole is obtained. An influence of the non-uniformity degree of the lens with the holes of different diameters on the radiation efficiency of a horn antenna is determined. The complete design of the synthesized feeder and its radiation pattern is presented to prove the antenna efficiency in the wide frequency band.

Radio Engineering

23

References 1. Shestopalov V.P. Fizicheskie osnovy millimetrovoi i submillimetrovoi tekhniki [Physical fundamentals of millimeter and submillimeter equipment]. Kiev, Naukova dumka, 1985.

216 p. (in Russian).

2. Evdokimov A.P. Antenny difrakcionnogo izlucheniya [Diffraction radiation antennas].

Fizicheskie osnovy priboro-stroeniya, 2013, vol. 2, no. 1. pp. 108–124. (in Russian).

3. Kryukov D.Yu., Ostankov A.V. Refleksivnyj analiz vozmozhnostej i osnovnyh konstruktivno-tekhnicheskih harakteristik antenn difrakcionnogo izlucheniya na osnove periodicheskih zamedlyayushchih struktur [Reflexive analysis of opportunities and main constructive and technical characteristics of antennas of diffraction radiation on the basis of the periodic slowing down structures]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2017, vol. 13, no. 1, pp. 95-103. (in Russian).

4. Honey R. A flush-mounted leaky-wave antenna with predictable patterns. IRE Transactions on Antennas and Propagation, 1959, vol. 7, no. 4, pp. 320–329.

DOI: 10.1109/TAP.1959.1144703.

5. Ghomi M., Lejay B., Amalric J., Baudrand H. Radiation characteristics of uniform and nonuniform dielectric leaky-wave antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1993, vol. 41, no. 9, pp. 1177–1186. DOI: 10.1109/8.247743.

6. Sharkawy M.A., Foroozesh A., Kishk A.A., Paknys R. A robust horn ridge gap waveguide launcher for metal strip grating leaky wave antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, vol. 62, iss.12, pp. 6019–6026. DOI: 10.1109/TAP.2014.2364050.

7. Cai Y., Zhang Y., Qian Z. Design of planar leaky wave antenna fed by substrate integrated waveguide horn. Frequenz, 2017, vol. 72, no. 1–2, pp. 33–37. DOI: 10.1515/freq-2016-0290.

8. Wu K., Deslandes D., Cassivi Y. The substrate integrated circuits – a new concept for highfrequency electronics and optoelectronics. 6th International Conference on Telecommunications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Service (TELSIKS’03), 2003, pp. 3–10.

DOI: 10.1109/TELSKS.2003.1246173.

9. Xu F., Wu K. Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide.

IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, vol. 53, no. 1, pp. 66–73.

DOI: 10.1109/TMTT.2004.839303.

10. Cassivi Y., Perregrini L., Arcioni P., Bressan M., Wu K., Conciauro G. Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2002, vol. 12, no. 9, pp. 333–335. DOI: 10.1109/LMWC.2002.803188.

11. Deslandes D., Wu K. Single-substrate integration technique of planar circuits and waveguide components. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2003, vol. 51, no. 2, pp. 593–596. DOI: 10.1109/TMTT.2002.807820.

12. Bozzi M., Xu F., Deslandes D. Wu K. Modeling and Design Considerations for Substrate Integrated Waveguide Circuits and Components. 8th International Conference on TelecomRadio Engineering

24

munications in Modern Satellite, Cable and Broadcasting Services, 2007, pp. 26–28.

DOI: 10.1109/TELSKS.2007.4375921.

13. Bozzi M., Perregrini L., Wu K., Arcioni P. Current and Future Research Trends in Substrate Integrated Waveguide Technology. Radioengineering, 2009, vol. 18, no. 2. http://www.radioeng.cz/fulltexts/2009/09_02_201_209.pdf.

14. Deslandes D. Design Equations for Tapered Microstrip-to-Substrate Integrated Waveguide Transitions. 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, 2010.

DOI: 10.1109/MWSYM.2010.5517884.

15. Mahmoud S., Antar Y.M. Printed Leaky Wave Antennas. Chapter 13, Wiley Telecom, 2011.

DOI: 10.1002/9780470973370.ch13.

16. Deslandes D., Wu K. Analysis and design of current probe transition from grounded coplanar to substrate integrated rectangular waveguides. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005, vol. 53, no. 8, pp. 2487–2499. DOI: 10.1109/TMTT.2005.852778.

17. Kazemi R., Fathy A.E., Yang S., Sadeghzadeh R.A. Development of an ultra wide band GCPW to SIW transition. IEEE Radio and Wireless Symposium, 2012, pp. 171–174.

DOI: 10.1109/TMTT.2005.852778.

18. Lin S., Yang S., Fathy A. Development of a novel UWB Vivaldi antenna array using SIW technology. Progress In Electromagnetics Research (PIER 90), 2009, P. 369–384.

DOI: 10.1109/APS.2005.1551392.

19. Yang S., Elsherbini A., Lin S., Fathy A., Kamel A., Elhennawy H. A highly efficient Vivaldi antenna array design on thick substrate and fed by SIW structure with integrated GCPW feed. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2007, pp. 1985–1988. DOI: 10.1109/APS.2007.4395912.

20. Cai Y., Qian Z., Cao W., Zhang Y., Jin J., Yang L., Jing N. Compact Wideband SIW Horn Antenna Fed by Elevated-CPW Structure. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, vol. 63, no. 10, pp. 4551–4557. DOI:10.1109/TAP.2015.2456936.

21. Li Z.-L. Wu K., Denidni T.A. A new approach to integrated horn antenna. 10th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics and URSI Conference, 2004, pp. 535–538. DOI: 10.1109/ANTEM.2004.7860646.

22. Wang H., Fang D.-G., Zhang B., Che W.-Q. Dielectric loaded substrate integrated waveguide (SIW) H-plane horn antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, vol. 58, no. 3, pp. 640–647. DOI: 10.1109/TAP.2009.2039298.

23. Wang L., Yin X., Li S., Zhao H., Liu L., Zhang M. Phase Corrected Substrate Integrated Waveguide H-Plane Horn Antenna With Embedded Metal-Via Arrays // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2014. Vol. 62. No. 4. P. 1854–1861.

DOI: 10.1109/TAP.2014.2298042.

24. Morote M.E., Fuchs B., Mosig J.R. Analytical model of a printed transition for SIW antennas. 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), 2012, pp. 414–417.

DOI: 10.1109/EuCAP.2012.6206105.

Radio Engineering

25

25. Morote M.E., Fuchs B., Zurcher J.F., Mosig J.R. A printed transition for matching improvement of SIW horn antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, vol. 61, no. 4, pp. 1923–1930. DOI: 10.1109/TAP.2012.2231923.

26. Morote M.E., Fuchs B., Zurcher J.F., Mosig J.R. Novel thin and compact H-plane SIW horn antenna. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, vol. 61, no. 6, pp. 2911–2920. DOI: 10.1109/TAP.2013.2254449.

27. Cai Y., Qian Z.-P., Zhang Y.-S., Jin J., Cao W-Q. Bandwidth Enhancement of SIW Horn Antenna Loaded With Air-Via Perforated Dielectric Slab. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, vol.13, pp. 571–574. DOI: 10.1109/LAWP.2014.2312917.

28. Zhang Y., Cai Y., Zhang H., Yang T., Ni W., Jin J. Broadband implementation of SIW horn antenna with air-via dielectric slab. IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), 2015, pp. 563–567. DOI:10.1109/APCAP.2015.7374489.

29. Xi C., Ma H.F., Xia Y.Z., Jiang W.J. Three-dimensional broadband and high-directivity lens antenna made of metamaterials. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 110, no. 4, pp. 044904–044904-8. DOI: 10.1063/1.3622596.

Radio Engineering

26

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 02. С. 27–38 DOI: 10.36027/rdeng.0220.0000162 Представлена в редакцию:

06.02.2020

© Городничев В.А., Белов М.Л., Швыгина М.М., Ситников Д.С.

УДК 551.501

Двухволновой лазерный метод мониторинга породного состава леса Городничев В.А.1, Белов М.Л.1,*, Швыгина М.М.1, Ситников Д.С.1 1

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Проведен сравнительный анализ и выбор наиболее эффективных длин волн зондирования для двухволнового лазерного метода определения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев. Показано, что наиболее эффективным вариантом, позволяющим проводить обнаружение с вероятность правильного обнаружения ~ 0,99 и вероятностью ложных тревог ~ 0,04, являются длины волн 0,532 и 1,54 мкм. Однако, с точки зрения безопасности для зрения лучше выбрать длины волн 0,355 и 1,54 мкм, которые позволяют удовлетворительно решить задачу определения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев с вероятность правильного обнаружения ~ 0,9 и вероятностью ложных тревог ~ 0,14. Ключевые слова: лазерный метод, коэффициенты отражения, мониторинг леса

Введение На сегодняшний день одной из актуальных задач контроля природной среды является мониторинг лесных массивов. Достоверная информация о состоянии и составе лесных массивов необходима для объективной оценки ситуации, прогнозов и планов рационального использования лесных ресурсов (см., например, [1-3]). Наиболее важными задачами мониторинга лесных массивов являются: их картографирование, определение возрастного и породного состава лесов, контроль санитарного состояния лесных ресурсов. В настоящее время основным источником данных о текущем состоянии лесных массивов является наземный мониторинг. Он дает объективную информацию о лесных массивах, однако не позволяет получать оперативную информацию о состоянии лесов, особенно для больших площадей леса и в удаленной ненаселенной местности. Эффективным методом контроля состояния растительности (в том числе и леса) является оптическое аэрокосмическое зондирование (см., например,[4-8]). Методы оптического аэрокосмического зондирования растительного покрова в настоящее время в большинстве своем являются пассивными. Достоинством их является Радиостроение

27

возможность получения информации за короткое время с больших площадей на поверхности Земли. Однако, оптические пассивные методы (в основном, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах) могут работать только в светлое время суток и в хороших погодных условиях. Поэтому, представляют интерес лазерные методы, которые могут работать в широком диапазоне атмосферных условий в любое время суток. Статья посвящена разработке лазерного метода определения лесных участков с преобладанием хвойных или лиственных пород деревьев.

1. Постановка задачи Для выбора длин волн зондирования (для лазерного метода определения участков леса с преобладанием хвойных или лиственных пород деревьев с авиационного носителя) необходимо учесть пропускание земной атмосферы на вертикальной трассе. Спектральная зависимость пропускания земной атмосферы показана на рисунке 1 ( для условий средних широт, летнего времени года и содержания водяного пара в атмосфере, равного 2 см осаждённой воды [9]).

Рис.1. Спектральная зависимость пропускания атмосферы

Рисунок 1 показывает, что выбираемые лазерные длины волн зондирования в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (наиболее эффективных для мониторинга растительного покрова) должны лежать в окнах прозрачности земной атмосферы: менее 0,85 мкм; 0,95 – 1,06 мкм; 1,2 – 1,3 мкм; 1,5 – 1,75 мкм; 2,1 – 2,4 мкм. В статье для длин волн зондирования в окнах прозрачности земной атмосферы на основе измеренных спектров отражения лиственных и хвойных пород деревьев проводитРадиостроение

28

ся сравнительный анализ и выбор наиболее эффективных длин волн для двухволнового лазерного метода определения участков леса с преобладанием или лиственных или хвойных пород деревьев.

2. Сравнительный анализ длин волн зондирования для двухволнового лазерного метода определения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев Для сравнительного анализа и выбора наиболее эффективных длин волн для двухволнового лазерного метода определения участков леса с преобладанием или лиственных или хвойных пород деревьев использовались экспериментально измеренные спектральные альбедо (коэффициенты отражения) лиственных и хвойных пород [10,11]. Для оценки состояния растительного покрова используются информационные индексы (называемые индексами вегетации - см., например, [12-14]), которые используют значения коэффициентов отражения в разных диапазонах спектра. Наиболее распространенный индекс NDVI использует значения коэффициентов отражения в красном и ближнем ИК диапазонах спектра. В качестве информационного индекса (хвойные или лиственные породы деревьев) в A( 2 ) статье использовалось отношение R(1 , 2 ) = коэффициентов отражения участков A(1 ) леса A(1 ), A( 2 ) на двух длинах волн 1 ,  2 . Значение информационного индекса R(1 ,  2 ) показаны на рисунках 2-7 для разных длин волн зондирования (в разных окнах прозрачности атмосферы). По вертикальной оси на рисунках 2-7 показаны значения информационного индекса R(1 ,  2 ) в летнее время года для ряда деревьев (для которых имеются данные в спек-

тральных библиотеках [10,11]), а по горизонтальной оси – номер i спектра отражения. Номера 1-26 – лиственные деревья (различные образцы и виды тополя, ореха, клена, березы, дуба, бука)), номера 27-55 – хвойные деревья (разные образцы и виды сосны, ели, можжевельника, кедра, пихты).

Рис.2. Информационный индекс R(0, 85 мкм , 0, 532 мкм)

Радиостроение

29

Рис.3. Информационный индекс R(0, 85 мкм , 0, 355 мкм)

Рис.4. Информационный индекс R(1, 54 мкм , 0, 85 мкм)

Рис.5. Информационный индекс R(0, 532 мкм , 0, 355 мкм)

Рис.6. Информационный индекс R(1, 54 мкм , 0, 532 мкм)

Радиостроение

30

Рис.7. Информационный индекс R(1, 54 мкм , 0, 355 мкм)

Рисунки 2-7 показывают, что пары длин волн 0,85 и 0,532 мкм; 0,85 и 0,355 мкм; 0,532 и 0,355 мкм не позволяют проводить обнаружение участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев (информационные индексы лиственных и хвойных деревьев для этих пар длин волн имеют близкие значения). Наиболее подходящими для задачи обнаружения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев являются пары длин волн 1,54 и 0,85 мкм; 1,54 и 0,532 мкм; 1,54 и 0,355 мкм. При этом, визуальный анализ диаграмм позволяет заметить, что наиболее эффективной для данной задачи является пара длин волн 1,54 и 0,532 мкм. Для количественной оценки эффективности работы лазерного метода на длинах волн зондирования 1  0,532 мкм,  2  1,54 мкм проводилось математическое моделирование. Было поведено вычисление вероятностей правильного обнаружения (правильного определения преобладающей породы деревьев) и ложных тревог (неправильного определения преобладающей породы деревьев). Математическое моделирование проводилось по 105 реализаций шума измерения. Считалось, что шум распределен по нормальному закону (среднее значение шума полагалось равным нулю, относительное среднеквадратическое отклонение δ задавалось в диапазоне 1 – 5 %). Решение о преобладании породы деревьев, принималось при условии:  для лиственной породы величина информационного параметра больше или равна порогового значения (пороговое значение принималось равным 1,93);  для хвойной породы величина информационного параметра меньше порогового значения. Математическое моделирование проводилось для каждого из деревьев в базе данных и потом усреднялось по всей базе данных.

Радиостроение

31

3. Результаты математического моделирования Результаты математического моделирования вероятностей правильного обнаружения (Pпо) и ложных тревог (Pлт) для пары длин волн зондирования 1  0,532 мкм,  2  1,54 мкм приведены в таблице 1. Таблица 1. Вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги для 0,532 мкм,  2  1,54 мкм δ, % 1 3 5

Pпо >0,99 0,99 0,98

Pлт 0,04 0,05 0,06

Результаты математического моделирования показывают, что задача дистанционного определения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев может быть надежно решена (с вероятность правильного обнаружения ~ 0,99 и вероятностью ложных тревог ~ 0,4) с помощью двухволнового лазерного метода, использующего длины волн 0,532 и 1,54 мкм. Однако, длина волны 0,532 мкм является потенциально опасной для зрения. Поэтому, с точки зрения как задачи таксации лесов, так и безопасности для зрения лучше взять длины волн зондирования 0,355 и 1,54 мкм. Отметим, что как длина волны 0,355 мкм, так и 1,54 мкм лежат в областях спектра безопасных для глаз. Излучение в УФ области 0,18 – 0,38 мкм и в ближнем ИК области более 1,4 мкм является более безопасным (оно воздействует на передние среды глаза), чем излучение в области 0,38-1,4 мкм (воздействующее на сетчатку глаза) [15,16].

Рис.8. Зависимость максимальной безопасной для глаз энергии импульса лазера от длины волны излучения

Радиостроение

32

Зависимость максимальной безопасной для зрения энергии импульса лазера от длины волны излучения приведена на рисунке 8 [16] при параметрах, характерных для систем лазерного зондирования - длительности импульса 6 нс, частоте повторения 100 Гц. Рисунок 8 показывает преимущество диапазонов 0,18 – 0,38 мкм и свыше 1,4 мкм с точки зрения безопасности для зрения. Результаты математического моделирования вероятностей правильного обнаружения (Pпо) и ложных тревог (Pлт) для пары лин волн 0,355 и 1,54 мкм приведены в таблице 2 (пороговое значение принималось равным 4,21). Таблица 2. Вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги для 1  0,355 мкм,  2  1,54 мкм δ, % 1 3 5

Pпо 0.90 0.89 0.88

Pлт 0.14 0.14 0.14

Результаты математического моделирования показывают, что задача дистанционного определения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев на безопасных для зрения длинах волн может быть удовлетворительно решена (с вероятность правильного обнаружения ~ 0,9 и вероятностью ложных тревог ~ 0,14) с помощью двухволнового лазерного метода, использующего длины волн 0,355 и 1,54 мкм.

Заключение Проведен сравнительный анализ и выбор наиболее эффективных длин волн зондирования для двухволнового лазерного метода определения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев. Показано, что наиболее эффективным вариантом, позволяющим проводить обнаружение с вероятность правильного обнаружения ~ 0,99 и вероятностью ложных тревог ~ 0,04, являются длины волн 0,532 и 1,54 мкм. Однако, с точки зрения безопасности для зрения лучше выбрать длины волн 0,355 и 1,54 мкм, которые позволяют удовлетворительно решить задачу определения участков леса с преобладанием лиственных или хвойных пород деревьев с вероятность правильного обнаружения ~ 0,9 и вероятностью ложных тревог ~ 0,14.

Список литературы 1. Гиперспектральные снимки: обзор сенсоров для БПЛА, систем обработки данных и приложений для сельского и лесного хозяйства Режим доступа: http://geomatica.ru/clauses/giperspektralnye-snimki-obzor-sensorov-dlya-bpla-sistemobrabotka-dannyh-i-prilozhenij-dlya-selskogo-i-lesnogo-hozyajstva (дата обращения 02.03.2020).

2. Мониторинг лесов с помощью группировки спутников RapidEye. Режим доступа: http://geomatica.ru/clauses/303/ (дата обращения 02.03.2020). Радиостроение

33

3. Технологии дистанционной оценки лесных ресурсов России: современные возможности и потенциал применения. Режим доступа: https://docplayer.ru/58588071-Tehnologiidistancionnoy-ocenki-lesnyh-resursov-rossii-sovremennye-vozmozhnosti-i-potencialprimeneniya.html (дата обращения: 02.03.2020).

4. White J.C., Coops N.C., Wulder M.A., Vastaranta M., Hilker T., Tompalski P. Remote sensing technologies for enhancing forest inventories: a review // Canadian J. of Remote Sensing. 2016.

Vol. 42. No. 5. Pp. 619–641. DOI: 10.1080/07038992.2016.1207484 5. Puliti S., Ørka H.O., Gobakken T., Næsset E. Inventory of small forest areas using an unmanned aerial system // Remote Sensing. 2015. Vol. 7. No. 8. Pp. 9632–9654. DOI: 10.3390/rs70809632 6. Getzin S., Nuske R.S., Wiegand K. Using unmanned aerial vehicles (UAV) to quantify spatial gap patterns in forests // Remote Sensing. 2014. Vol. 6. No. 8. Pp. 6988–7004.

DOI: 10.3390/rs6086988 7. Gini R., Passoni D., Pinto L., Sona G. 2014. Use of unmanned aerial systems for multispectral survey and tree classification: a test in a park area of Northern Italy // Eur. J. of Remote Sensing.

2014. Vol. 47. No. 1. Pp. 251–269. DOI: 10.5721/EuJRS20144716 8. Hansen E.H., Ene L.T., Mauya E.W., Patočka Z., Mikita T., Gobakken T., Næsset E. Comparing empirical and semi-empirical approaches to forest biomass modelling in different biomes using airborne laser scanner data // Forests. 2017. Vol. 8. No. 5. P. 170. DOI: 10.3390/f8050170 9. Прозрачность земной атмосферы. Режим доступа: http://www.bourabai.kz/physics/3115.html (дата обращения 02.03.2020).

10. Clark R.N., Swayze G.A., Wise R.A., Livo K.E., Hoefen T.M., Kokaly R.F., Sutley S.J. USGS digital spectral library splib06a // U.S. Geological Survey. Digital Data Series 231. 2007. Режим доступа: https://pubs.er.usgs.gov/publication/ds231 (дата обращения 11.04.2020).

DOI: 10.3133/ds231 11. Meerdink S.K., Hook S.J., Abbott E.A., Roberts D.A. ECOSTRESS spectral library version 1.0 // Remote Sensing of Environment. 2019. Vol. 230. Article 111196.

DOI: 10.1016/j.rse.2019.05.015 12. Zygielbaum A.I., Gitelson A.A., Arkebauer T.J., Rundquist D.C. Non-destructive detection of water stress and estimation of relative water content in maize // Geophysical Research Letters.

2009. Vol. 36. No. 12. Article L12403. DOI: 10.1029/2009GL038906 13. Vina A., Gitelson A.A., Nguy-Robertson A.L., Peng Y. Comparison of different vegetation indices for the remote assessment of green leaf area index of crops // Remote Sensing of Environment. 2011. Vol. 115. No. 12. Pp. 3468-3478. DOI: 10.1016/j.rse.2011.08.010 14. Ahmad F. Spectral vegetation indices performance evaluated for Cholistan Desert // J. of Geography and Regional Planning. 2012. Vol. 5. No. 8. Pp. 165-172. DOI: 10.5897/JGRP11.098 15. ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. Введ. 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2013.

19 с.

Радиостроение

34

16. Mayor S.D., Spuler S.M., Morley B.M. Scanning eye-safe depolarization lidar at 1.54 microns and potential usefulness in bioaerosol plume detection // Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 2005. Vol. 5887. Pp. 137-148. DOI: 10.1117/12.620361

Радиостроение

35

Radio Engineering, 2020, no. 02, pp. 27–38.

DOI: 10.36027/rdeng.0220.0000162 Received:

06.02.2020

© V.A. Gorodnichev, M.L. Belov, M.M. Shvygina, D.S. Sitnikov

Two-wave Laser Method for Monitoring the Species Composition of Forest V.A. Gorodnichev1, M.L. Belov1,*, M.M. Shvygina1, D.S. Sitnikov1 1

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: laser method, reflection coefficient, forest monitoring

Today the monitoring of forests is one of the actual tasks of environmental control. The most important problems of monitoring of forest resources are mapping of forests, determining species and age composition of forests and analysis of sanitary condition of forests.

An effective method of monitoring the state of vegetation (including forests) is optical aerospace sensing. The methods of optical sensing of vegetation cover are currently passive, for the most part.

However, passive methods are available to use for daylight only. Therefore, laser methods which can be used in wide range of light and atmospheric conditions are of interest.

In this article there was carried out the comparative analysis and selection of the most effective sensing wavelengths in atmospheric transparency windows for two-waves laser method for determining forest areas with prevalence of coniferous or deciduous wood species.

As an information index (coniferous or deciduous wood species) in this article the ratio of reflection coefficients of parcels of forest at two wavelengths was used. Pairs of wavelengths 1,54μ and 0,532μ; 1,54μ and 0,355μ are the most relevant for detecting forest areas with prevalence of coniferous or deciduous wood species.

For quantitative assessment the efficiency of the laser method mathematical modeling was carried out. The results of mathematical modeling show that that the wavelengths of 0.532μm and 1.54μm are the most effective and provide scanning with probability of correct detecting ~ 0.99 and with false-alarm probability ~ 0.04.

However, in terms of eye safety it’s better to choose wavelengths of 0.355μm and 1.54μm, because they allow to solve satisfactory the problem of determining forest areas with prevalence of coniferous or deciduous wood species with probability of correct detecting ~ 0.9 and with false-alarm probability ~ 0.14.

Radio Engineering

36

References 1. Giperspektralnye snimki: obzor sensorov dlia BPLA, sistem obrabotki dannykh i prilozhenij dlia sel’skogo i lesnogo khoziajstva [Hyperspectral images: review of sensor for pilotless aerial vehicle, data processing systems and software applications for agriculture and forestry]. Available at: http://geomatica.ru/clauses/giperspektralnye-snimki-obzor-sensorov-dlya-bpla-sistemobrabotka-dannyh-i-prilozhenij-dlya-selskogo-i-lesnogo-hozyajstva, accessed 02.03.2020 (in Russian).

2. Monitoring lesov s pomoshch’yu gruppirovki sputnikov RapidEye [Forest monitoring by using package of the satellites RapidEye]. Available at: http://geomatica.ru/clauses/303/, accessed 02.03.2020 (in Russian).

3. Tekhnologii distantsionnoj otsenki lesnykh resursov Rossii: sovremennye vozmozhnosti i potentsial primeneniia [Remote estimate technology of Russia forest resource: advanced capability and potential]. Available at: https://docplayer.ru/58588071-Tehnologii-distancionnoyocenki-lesnyh-resursov-rossii-sovremennye-vozmozhnosti-i-potencial-primeneniya.html, accessed 02.03.2020 (in Russian).

4. White J.C., Coops N.C., Wulder M.A., Vastaranta M., Hilker T., Tompalski P. Remote sensing technologies for enhancing forest inventories: a review. Canadian J. of Remote Sensing, 2016, vol. 42, no. 5, pp. 619–641. DOI: 10.1080/07038992.2016.1207484 5. Puliti S., Ørka H.O., Gobakken T., Næsset E. Inventory of small forest areas using an unmanned aerial system. Remote Sensing, 2015, vol. 7, no. 8, pp. 9632–9654. DOI: 10.3390/rs70809632 6. Getzin S., Nuske R.S., Wiegand K. Using unmanned aerial vehicles (UAV) to quantify spatial gap patterns in forests. Remote Sensing, 2014, vol. 6, no. 8, pp. 6988–7004.

DOI: 10.3390/rs6086988 7. Gini R., Passoni D., Pinto L., Sona G. 2014. Use of unmanned aerial systems for multispectral survey and tree classification: a test in a park area of Northern Italy. Eur. J. of Remote Sensing, 2014, vol. 47, no. 1, pp. 251–269. DOI: 10.5721/EuJRS20144716 8. Hansen E.H., Ene L.T., Mauya E.W., Patočka Z., Mikita T., Gobakken T., Næsset E. Comparing empirical and semi-empirical approaches to forest biomass modelling in different biomes using airborne laser scanner data. Forests, 2017, vol. 8, no. 5, p. 170. DOI: 10.3390/f8050170 9. Prozrachnost’ zemnoj atmosfery [Earth atmospheric transmission]. Available at: http://www.bourabai.kz/physics/3115.html, accessed 02.03.2020 (in Russian).

10. Clark R.N., Swayze G.A., Wise R.A., Livo K.E., Hoefen T.M., Kokaly R.F., Sutley S.J. USGS digital spectral library splib06a. U.S. Geological Survey. Digital Data Series 231, 2007. Available at: https://pubs.er.usgs.gov/publication/ds231, accessed 11.04.2020. DOI: 10.3133/dsw231 11. Meerdink S.K., Hook S.J., Abbott E.A., Roberts D.A. ECOSTRESS spectral library version 1.0.

Remote Sensing of Environment, 2019, vol. 230, article 111196. DOI: 10.1016/j.rse.2019.05.015

Radio Engineering

37

12. Zygielbaum A.I., Gitelson A.A., Arkebauer T.J., Rundquist D.C. Non-destructive detection of water stress and estimation of relative water content in maize. Geophysical Research Letters, 2009, vol. 36, no. 12, article L12403. DOI: 10.1029/2009GL038906 13. Vina A., Gitelson A.A., Nguy-Robertson A.L., Peng Y. Comparison of different vegetation indices for the remote assessment of green leaf area index of crops. Remote Sensing of Environment, 2011, vol. 115, no. 12, pp. 3468-3478. DOI: 10.1016/j.rse.2011.08.010 14. Ahmad F. Spectral vegetation indices performance evaluated for Cholistan Desert. J. of Geography and Regional Planning, 2012, vol. 5, no. 8, pp. 165-172. DOI: 10.5897/JGRP11.098 15. GOST 31581-2012. Lazernaia bezopasnost’. Obshchie trebovaniia bezopasnosti pri razrabotke i ekspluatatsii lazernykh izdelij [All-Union State Standard 31581-2012. Laser safety. General safety requirements for development and operation of laser products]. Moscow: Standartinform Publ., 2013. 19 p. (in Russian).

16. Mayor S.D., Spuler S.M., Morley B.M. Scanning eye-safe depolarization lidar at 1.54 microns and potential usefulness in bioaerosol plume detection. Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2005, vol. 5887, pp. 137-148. DOI: 10.1117/12.620361

Radio Engineering

38

Ссылка на статью: // Радиостроение. 2020. № 02. С. 39–50 DOI: 10.36027/rdeng.0220.0000167 Представлена в редакцию:

14.02.2020

© Морозов А.Н., Назолин А.Л., Фуфурин И.Л.

УДК 543.424

Оптические и спектральные методы в задачах обнаружения и распознавания подвижных летательных объектов Морозов А.Н.1,*, Назолин А.Л.1, Фуфурин И.Л.1 1

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Статья посвящена анализу возможности использования оптических и спектральных оптических методов для решения задач обнаружения и идентификации подвижных летательных объектов на фоне объектов живой природы, а также идентификации следовых количеств вещества на их поверхности. Приведен обзор современного уровня развития методик и технических средств, реализующих различные спектральные методы оптической локации. Показаны особенности их применения и перспективы развития. Изучены области применения описанных методик и дано описание экспериментального стенда по изучению возможности создания гибридного лидарного комплекса идентификации подвижных объектов и переносимого груза. Ключевые слова: идентификация

беспилотный

летательный

аппарат;

оптическая

локация;

лидар;

Введение В последние несколько лет техника беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) получила очень активное развитие. БПЛА находят применение в различных областях городской инфраструктуры, в то же время возникает высокая вероятность проникновения сторонних БПЛА на охраняемые объекты или в места скопления людей, а также существует вероятность несения разнообразной, в т.ч. опасной нагрузки на борту БПЛА. В связи с этим возникает необходимость обнаружения БПЛА, его идентификации и распознавания опасной нагрузки. В настоящее время ведется большое количество работ в этом и смежных направлениях.

1. Анализ уровня техники В работе [1] приведена классификация БПЛА по типу, размеру и техническим характеристикам, а также приведены основные методы обнаружения БПЛА на основе анализа Радиостроение

39

радиочастотного и видео сигналов. В работе [2], а также в патенте US 9,715,009 B1 приведены ограничения применения радиолокационных систем для обнаружения современных миниатюрных БПЛА типа ZALA 421-08, DJI Phantom 2 и подобных. Показано, что для обнаружения и идентификации подобных типов БПЛА эффективным подходом является применение методов оптической локации, в т.ч. совместно с датчиками, основанными на анализе радиочастотного спектра и акустических волн. Также в работе [3] показано, что при использовании радиолокационных методов для обнаружения малых БПЛА для расстояний 250-700 м существует мертвая зона и в этом случае необходимо применение оптических методов обнаружения БПЛА. Для обнаружения объектов по инфракрасному (ИК) изображению в мировой практике существует два подхода. Первый подход [4] связан с идентификацией объекта по собственному излучению с помощью тепловизоров. Спектр собственного излучения объекта лежит в диапазоне 7-14 мкм. Современные тепловизоры обладают чувствительностью по яркостной температуре около 0,05 К. В перспективе подобные системы необходимо оснащать трансфокатором до 10-20 крат. Второй подход предусматривает применение активной инфракрасной лазерной подсветки, например, ИК лазером 903 нм или 1560 нм [5] для обнаружения и идентификации объекта, топографирования местности с последующим выделением движущихся БПЛА на фоне подвижных объектов живой природы. Для возможности обнаружения БПЛА на расстоянии до 2 км авторы [5] предлагают использовать 1560 нм с длительностью импульсов 1 нс, частотой повторения 1 МГц и мощностью в импульсе – 700 кВт. Расходимость луча лазера составляет величину порядка 0,5 град. При этом система укомплектована матричным фотоприемником (150 х 20 пикселей) и оптической системой такой, что угловое поле зрения матричного фотоприемника соответствует угловому полю луча лазера. Другими словами, система работает на фиксации отраженного сигнала от БПЛА в заданном угловом пространстве матричным фотоприемным устройством (ФПУ). Система сканирования оснащена быстродействующим гальванометрическим зеркалом (f = 1 кГц) для последовательного сканирования поля подсветки лазера. Подобные системы также выполняют функцию лазерного дальномера - ЛИДАРа. В работе [6] описана возможность обнаружения БПЛА с помощью ИК камер или тепловизеров, по тепловому излучению воздуха, выделяемому двигателем БПЛА или аккумуляторной батареей. Для визуализации данных лазерного ЛИДАРа применяются методы 3D топографрования типа OctoMap [7]. Существует целый класс методов динамического анализа фона и выделения подвижных малозаметных объектов [8]. Для анализа изображений и 3D картин (типа гиперкуб) применяют методы теории графов и нейронные сети [9]. Начиная с 2012 г в области глубокого обучения (deep learning) были разработаны сверточные нейронные сети (Convolution Neural Network – CNN), которые могут обнаруживать объекты в режиме реального времени с высокой точностью. В настоящее время наиболее популярными сетями, применяемыми в глубоком обучении для решения этой задачи, представляют собой сети FasterR-CNN [10], YOLO [11], Радиостроение

40

SSD [12]. Каждая модель зависит от базового классификатора, влияющего на качество модели [13]. В 2013 г. была разработана модель R-CNN [14], которая значительно улучшила точность детектирования объектов по анализу их видео изображений. Самые современные разработанные модели относятся к семействам YOLO и SSD, и основаны на распознавании по одному полученному кадру (Singleshot). Модели на основе Faster R-CNN процесс детектирования происходит в 2 этапа. На первом этапе производится поиск регионов с предположительными объектами RPN. На втором этапе применяется модель Fast R-CNN, которая производит поиск в найденных регионах с первого этапа. Недостатком данного подхода является независимое обучение сетей друг от друга. Модели YOLO и SSD решают данную задачу обнаружения, как задачу регрессии. Высокая скорость работы данных моделей позволяет применять их в режиме реального времени для детектирования движущихся объектов. Методы оптической локации БПЛА предполагают выделение частей изображения объекта и по набору характерных признаков. С другой стороны, для анализа химического состава материала, из которого изготовлено покрытие БПЛА, а также для обнаружения следовых количеств веществ на поверхности объекта, в мировой практике применяют спектральные оптические методы. Так, например, для анализа биологических объектов применяются люминесцентные методы с применением ультрафиолетовой подсветки [15]. Подобные подходы позволяют на расстоянии отличать объекты живой и неживой природы, что, например, может позволить отличать БПЛА от птиц и послужит дополнительным каналом детектирования. В работе [16] приведен обзор существующих лазерных методов анализа химических соединений. Среди наиболее актуальных спектральных методов для анализа следовых количеств веществ на поверхности исследуемого объекта на расстоянии можно выделить люминесцентную спектроскопию с УФ подсветкой, спектроскопию комбинационного рассеяния света, спектроскопию дифференциального поглощения на основе перестраиваемого УФ лазера, метод формирования спектральных изображений (гипер- / мультиспектральные изображения), лазерную спектроскопию диффузного рассеяния с применением инфракрасных перестраиваемых квантово-каскадных лазеров (ККЛ). Так в работе [17] показано, что для источника на длине волны 532 нм с энергией 100 мДж в импульсе и с применением телескопа с апертурой 203 мм произведено обнаружение химических соединений на расстоянии в несколько сотен метров. В работе [18] приведены результаты применения квантово-каскадного лазера с перестройкой 7,611,4 мкм с мощностью излучения 100 мВт/см2 и показано, что путем построения гиперспектаральных изображений удается обнаруживать следовые количества веществ до 10 мкг/см2 на расстоянии до 20 м. В работе [19] показана возможность создания ЛИДАРов диффузного рассеяния ИК излучения, построенных на базе ИК ККЛ для дистанционного обнаружения веществ на поверхностях. В работах [20 - 22] показаны возможности ККЛ для детектирования малых количеств вещества. В [20] показано, что с применением лазеРадиостроение

41

ров с пиковой мощности 150 мВт в спектральном диапазоне 5,3 - 12,8 мкм с кадмий-ртутьтеллуриевым фотоприемником, охлаждаемым каскадом ячеек Пельтье, предел обнаружения составляет около 10 мкг∕см2 на расстоянии около 1 м. Увеличение мощности лазерного излучения позволит значительно увеличить дальность обнаружения и расширить возможность инфракрасных ЛИДАРов диффузного рассеяния света.

2. Постановка задач исследования Возможность использования оптических спектральных методов в решении проблем обнаружения и распознавания беспилотных летательных аппаратов на фоне объектов живой природы во многом зависит от мощности источников излучения, падающей с увеличением расстояния до объекта и чувствительности регистрирующей аппаратуры. Оценка потенциально возможных предельных расстояний обнаружения БПЛА оптическими методами требует проведения дополнительных фундаментальных научных исследований. Целью таких исследований должна стать разработка научных основ дистанционного обнаружения, идентификации, сопровождения и определения параметров БПЛА и принадлежности БПЛА к различным группам методами оптической локации и оптической спектроскопии, а также автоматического оптического распознавания в различных средах на фоне подвижных объектов живой природы. Исследования должны охватывать существующие и перспективные спектральные оптические методы, направлены, в том числе, на выявление новых информативных признаков детектирования. Для их осуществления создается экспериментальный стенд, позволяющий реализовать поставленные задачи исследования.

3. Экспериментальный стенд На первом этапе создания экспериментального стенда планируется изучить возможности экспресс-анализа видеоизображений с целью идентификации БПЛА, сопровождения и определения их характеристик, включая расстояние до них. Для их осуществления предлагается использовать специальную аппаратуру в составе: инфракрасная видеокамера для работы в ночное время; система инфракрасной подсветки с помощью лазера на длине волны 808 нм и мощностью порядка 30 Вт; трансфокатор не менее 20 крат, система наведения с точностью позиционирования порядка 1 мрад; лазерный дальномер на длине волны 1540 - 1570 нм с длительностью импульса не более 25 нс, расходимостью излучения не более 1 мрад и энергией излучения не менее 15 мДж. На втором этапе планируется изучить возможность создания гибридного лидарного комплекса для идентификации БПЛА и переносимого груза, а также диагностики вихревых образований, состоящего из следующих основных устройств (рис. 1):

Радиостроение

42

Рис. 1. Составные части экспементального стенда идентификации БПЛА

люминесцентный лидар с УФ лазером на 266 нм с длительностью импульса 8 нс, частотой повторения 20 Гц и энергией излучения не менее 10 мДж; видеокамера (ВК) 1 Mпикс с рабочим спектральным диапазоном 120-1100 нм; ЛИДАР дифференциального поглощения на базе перестраиваемого УФ лазера в диапазоне длин волн 193 - 2600 нм с частотой следования импульсов 1 кГц и энергией импульса не менее 40 мкДж; ЛИДАР комбинационного рассеяния света на базе импульсного лазера с длиной волны 532 нм и энергий импульса не менее 50 мДж; лидар диффузного рассеяния света на базе квантово-каскадного лазера и Кадмий-Ртуть-Теллуриевого фотоприемника, охлаждаемого каскадом ячеек Пельтье с обнаружительной способностью 3·109см√Гц/Вт; ЛИДАР диффузного рассеяния света на базе перестраиваемого ИК лазера с длиной волны 4400 - 18000 нм и энергией импульса не менее 1 мДж, расходимостью излучения не более 1 мрад типа NT 373-XIR и Кадмий-Ртуть-Теллуриевого фотоприемника, охлаждаемого микрокриогенной системой с обнаружительной способностью порядка 1010см√Гц/Вт ; инфракрасный ЛИДАР для регистрации характеристик вихревых образований при движении БПЛА. Представленный на рис. 1. состав экспериментального стенда позволит провести комплексные экспериментальные исследования, в том числе, оценить возможность создания принципиально новых дистанционных средств химической разведки, основанных на применении перестраиваемых ультрафиолетовых лазеров с регистрацией спектров люминесценции, возбуждаемых разными длинами волн, а также перестраиваемых инфракрасных лазеров для дистанционного определения БПЛА с помощью спектроскопии диффузного рассеяния инфракрасного излучения.

Заключение Анализ современного состояния методов и технических средств, оптической локации и оптической спектроскопии, показал перспективность использования в задачах обнаРадиостроение

43

ружения и идентификации подвижных объектов. Вместе с тем, комплексной эффективной системы спектрального оптического контроля за БПЛА пока не создано, остается много нерешенных проблем, таких как быстродействие нейронных сетей и необходимость их постоянного обучения; физические ограничения на дальность действия оптических методов разного типа; сложность задачи дистанционной дифференциации объектов различной природы. Для их решения необходимо совмещение методов оптической локации и спектрального анализа, методов теории статистики, графов, машинного обучения, нейронных сетей и методов автоматического управления, что является междисциплинарной фундаментальной научной задачей. Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №19-29-06009.

Список литературы 1. E.Д. Филин, Р. В. Киричек. Методы обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов на основе анализа электромагнитного спектра // Информационные технологии и телекоммуникации. 2018. Т. 6. № 2. С.87-89.

2. Stary V., Krivanek V., Stefek A. Optical Detection Methods for Laser Guided Unmanned Devices // Journal of Communications and Networks. 2018. Vol. 20, No. 5. Р. 464-472.

DOI: 10.1109/JCN.2018.000071.

3. Farlik J., Kratky M., Casar J. and Stary V. Radar cross section and detection of small unmanned aerial vehicles // 2016 17th International Conference on Mechatronics Mechatronika (ME): Prague.: 2016. pp. 433-439. Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/7827857 (дата обращения 28.04.2020).

4. Kim B.H., Kim M.Y. Anti-saturation and contrast enhancement technique using interlaced histogram equalization (IHE) for improving target detection performance of EO/IR images // 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS). IEEE. Режим доступа: https://doi.org/10.23919/iccas.2017.8204254 (дата обращения 28.04.2020).

5. Kim B., Khan D., Bohak C., Choi W., Lee H., Kim M. V-RBNN Based Small Drone Detection in Augmented Datasets for 3D LADAR System // Sensors. 2018. №18,3825.

DOI: 10.3390/s1811382 6. Müller T. Robust drone detection for day/night counter-UAV with static VIS and SWIR cameras. Ground/Air Multisensor Interoperability, Integration, and Networking for Persistent ISR VIII. SPIE. Режим доступа: https://doi.org/10.1117/12.2262575 (дата обращения 28.04.2020).

7. Hornung A., Wurm K. M., Bennewitz M., Stachniss C., Burgard W. OctoMap: an efficient probabilistic 3D mapping framework based on octrees // Autonomous Robots. 2013. № 34. pp. 189–206. Режим доступа: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10514-0129321-0 (дата обращения 28.04.2020).

Радиостроение

44

8. Wang C., Wang T., Wang E., Sun E., Luo Z. Flying Small Target Detection for Anti-UAV Based on a Gaussian Mixture Model in a Compressive Sensing Domain // Sensors. 2019. №19,2168. DOI:10.3390/s19092168.

9. Klasing K., Wollherr D., Buss M. A clustering method for efficient segmentation of 3D laser data // 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2008. May 19-13, Pasadena, California, USA. DOI: 10.1109/ROBOT.2008.4543832.

10. Ren S., He K., Girshick R, Sun J. Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks // CVPR, 2016. Режим доступа: https://arxiv.org/pdf/1506.01497.pdf, (дата обращения 28.04.2020).

11. Redmon J., Farhadi A. YOLO9000: Better, Faster, Stronger // CVPR, 2016. Режим доступа: https://arxiv.org/pdf/1612.08242.pdf, (дата обращения 28.04.2020).

12. Liu W., Angurlov D., Erhan D. & other. SSD: Single Shot MultiBox Detector // ECCV 2016, pp 21-37. DOI: 10.1007/978-3-319-46448-0_2.

13. Li X. Zhou Y., Pan Z., Feng J. Partial Order Pruning: for Best Speed/Accuracy Trade-off in Neural Architecture Search // CVPR, 2019. Режим доступа: https://arxiv.org/pdf/1903.03777.pdf, (дата обращения 28.04.2020).

14. Gkioxari G., Hariharan B., Girshick R., Malik J. R-CNNs for Pose Estimation and Action Detection // CVPR, 2014. Режим доступа: https://arxiv.org/pdf/1903.03777.pdf, (дата обращения 28.04.2020).

15. Lefcourt A., Siemens M., Rivadeneira P. Optical Parameters for Using Visible-Wavelength Reflectance or Fluorescence Imaging to Detect Bird Excrements in Produce Fields // Applied Sciences. 2019, №9(4), 715. Режим доступа: https://doi.org/10.3390/app9040715 (дата обращения 28.04.2020).

16. Л. А. Скворцов. Лазерные методы дистанционного обнаружения химических соединений на поверхности тел. М.: Техносфера, 2014. 207с.

17. Misra A.K., Acosta-Maeda T.E., Porter J.N., Berlanga G., Muchow D., Sharma S.K., Chee B. A Two Components Approach for Long Range Remote Raman and Laser-Induced Breakdown (LIBS) Spectroscopy Using Low Laser Pulse Energy // Applied Spectroscopy, 2018, №73(3), рр. 320–328. Режим доступа: https://www.osapublishing.org/as/abstract.cfm?uri=as-73-3-320, (дата обращения 28.04.2020).

18. Hugger S., Fuchs F., Jarvis J., Yang Q.K., Rattunde M., Ostendorf R., Rieblinger K. Quantum cascade laser based active hyperspectral imaging for standoff detection of chemicals on surfaces // Proceedings Volume 9755, Quantum Sensing and Nano Electronics and Photonics XIII, 97550A (2016). Режим доступа: https://doi.org/10.1117/12.2210913 (дата обращения 28.04.2020).

19. Rayner T., Weida M., Pushkarsky M., Day T. Remote explosive and chemical agent detection using broadly tunable mid-infrared external cavity quantum cascade lasers // Proceed-

Радиостроение

45

ings Volume 6540, Optics and Photonics in Global Homeland Security III; 65401Q (2007) DOI:10.1117/12.727700.

20. Fufurin I.L., Tabalina A.S., Morozov A.N., Golyak I.S., Svetlichnyi S.I., Anfimov D. R. & Kochikov I.V. . Identification of substances from diffuse reflectance spectra of a broadband quantum cascade laser using Kramers–Kronig relations // Optical Engineering, 2020, №59(6), 061621. DOI:10.1117/1.OE.59.6.061621.

21. Голяк И.C., Морозов А.Н., Светличный С.И., Табалина А.С., Фуфурин И.Л. Идентификация химических соединений по спектрам рассеянного излучения в диапазоне длин волн 5.3-12.8 мкм с применением перестраиваемого квантово-каскадного лазера // Химическая физика. 2019. том 38, № 7, с. 3-10.

22. Fufurin I.L, Tabalina A.S., Morozov A.N., Golyak I. & Svetlichnyi S.I. Causality relations in analysis of diffuse reflectance spectra obtained by infrared quantum cascade laser // International Conference on Optical Instruments and Technology: IRMMW-THz Technologies and Applications, 114410G (12 March 2020). DOI: 10.1117/12.2549554.

Радиостроение

46

Radio Engineering, 2020, no. 02, pp. 39–50.

DOI: 10.36027/rdeng.0220.0000167 Received:

14.02.2020

Š A.N. Morozov, A.L. Nazolin, I.L. Fufurin

Optical and Spectral Methods for Detection and Recognition of Unmanned Aerial Vehicles A.N. Morozov1,*, A.L. Nazolin1, I.L. Fufurin1 1

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: unmanned aerial vehicle; optical detection; LIDAR; identification

The paper considers a problem of detection and identification of unmanned aerial vehicles (UAVs) against the animate and inanimate objects and identification of their load by optical and spectral optical methods. The state-of-the-art analysis has shown that, when using the radar methods to detect small UAVs, there is a dead zone for distances of 250-700 m, and in this case it is important to use optical methods for detecting UAVs. The application possibilities and improvements of the optical scheme for detecting UAVs at long distances of about 1-2 km are considered. Location is performed by intrinsic infrared (IR) radiation of an object using the IR cameras and thermal imagers, as well as using a laser rangefinder (LIDAR). The paper gives examples of successful dynamic detection and recognition of objects from video images by methods of graph theory and neural networks using the network FasterR-CNN, YOLO and SSD models, including one frame received.

The possibility for using the available spectral optical methods to analyze the chemical composition of materials that can be employed for remote identification of UAV coating materials, as well as for detecting trace amounts of matter on its surface has been studied. The advantages and disadvantages of the luminescent spectroscopy with UV illumination, Raman spectroscopy, differential absorption spectroscopy based on a tunable UV laser, spectral imaging methods (hyper / multispectral images), diffuse reflectance laser spectroscopy using infrared tunable quantum cascade lasers (QCL) have been shown.

To assess the potential limiting distances for detecting and identifying UAVs, as well as identifying the chemical composition of an object by optical and spectral optical methods, a described experimental setup (a hybrid lidar UAV identification complex) is expected to be useful.

The experimental setup structure and its performances are described. Such studies are aimed at development of scientific basics for remote detection, identification, tracking, and determination of UAV parameters and UAV belonging to different groups by optical location and spectroscopy methods, as well as for automatic optical UAV recognition in various environments against the Radio Engineering

47

background of moving wildlife. The proposed problem solution is to combine the optical location and spectral analysis methods, methods of the theory of statistics, graphs, deep learning, neural networks and automatic control methods, which is an interdisciplinary fundamental scientific task.

RFBR research project No. 18-29-02024.

References 1. Filin E.D., Kirichek R. V. Methods for detecting small-sized unmanned aerial vehicles based on the analysis of the electromagnetic spectrum. Information technologies and telecommunications, 2018, vol. 6, no. 2, pp. 87-89. (in Russ.).

2. Stary V., Krivanek V., Stefek A. Optical Detection Methods for Laser Guided Unmanned Devices // Journal of Communications and Networks. 2018. Vol. 20, No. 5. Р. 464-472.

DOI: 10.1109/JCN.2018.000071.

3. Farlik J., Kratky M., Casar J. and Stary V. Radar cross section and detection of small unmanned aerial vehicles // 2016 17th International Conference on Mechatronics Mechatronika (ME): Prague.: 2016. pp. 433-439. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/7827857, accessed 28.04.2020.

4. Kim B.H., Kim M.Y. Anti-saturation and contrast enhancement technique using interlaced histogram equalization (IHE) for improving target detection performance of EO/IR images // 2017 17th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS). IEEE. Available at: https://doi.org/10.23919/iccas.2017.8204254, accessed 28.04.2020.

5. Kim B., Khan D., Bohak C., Choi W., Lee H., Kim M. V-RBNN Based Small Drone Detection in Augmented Datasets for 3D LADAR System // Sensors. 2018. №18,3825.

DOI: 10.3390/s1811382.

6. Müller T. Robust drone detection for day/night counter-UAV with static VIS and SWIR cameras. Ground/Air Multisensor Interoperability, Integration, and Networking for Persistent ISR VIII. SPIE. Available at: https://doi.org/10.1117/12.2262575, accessed 28.04.2020.

7. Hornung A., Wurm K. M., Bennewitz M., Stachniss C., Burgard W. OctoMap: an efficient probabilistic 3D mapping framework based on octrees // Autonomous Robots. 2013. № 34. pp. 189–206. Available at: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10514-012-9321-0, accessed 28.04.2020.

8. Wang C., Wang T., Wang E., Sun E., Luo Z. Flying Small Target Detection for Anti-UAV Based on a Gaussian Mixture Model in a Compressive Sensing Domain // Sensors. 2019. №19,2168. DOI:10.3390/s19092168.

9. Klasing K., Wollherr D., Buss M. A clustering method for efficient segmentation of 3D laser data // 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2008. May 19-13, Pasadena, California, USA. DOI: 10.1109/ROBOT.2008.4543832.

Radio Engineering

48

10. Ren S., He K., Girshick R, Sun J. Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks // CVPR, 2016. Available at: https://arxiv.org/pdf/1506.01497.pdf, accessed 28.04.2020.

11. Redmon J., Farhadi A. YOLO9000: Better, Faster, Stronger // CVPR, 2016. Available at: https://arxiv.org/pdf/1612.08242.pdf, accessed 28.04.2020.

12. Liu W., Angurlov D., Erhan D. & other. SSD: Single Shot MultiBox Detector // ECCV 2016, pp 21-37. DOI: 10.1007/978-3-319-46448-0_2.

13. Li X. Zhou Y., Pan Z., Feng J. Partial Order Pruning: for Best Speed/Accuracy Trade-off in Neural Architecture Search // CVPR, 2019. Available at: https://arxiv.org/pdf/1903.03777.pdf, accessed 28.04.2020.

14. Gkioxari G., Hariharan B., Girshick R., Malik J. R-CNNs for Pose Estimation and Action Detection // CVPR, 2014. Available at: https://arxiv.org/pdf/1406.5212.pdf, accessed 28.04.2020.

15. Lefcourt A., Siemens M., Rivadeneira P. Optical Parameters for Using Visible-Wavelength Reflectance or Fluorescence Imaging to Detect Bird Excrements in Produce Fields // Applied Sciences. 2019, №9(4), 715. Available at: https://doi.org/10.3390/app9040715, accessed 28.04.2020.

16. Skvortsov L. A. Laser methods for remote detection of chemical compounds on the surface of bodies. Technosphere. Moscow, 2014, 207p. (in Russ.).

17. Misra A.K., Acosta-Maeda T.E., Porter J.N., Berlanga G., Muchow D., Sharma S.K., Chee B.A. Two Components Approach for Long Range Remote Raman and Laser-Induced Breakdown (LIBS) Spectroscopy Using Low Laser Pulse Energy // Applied Spectroscopy, 2018, №73(3), рр. 320–328. Available at: https://www.osapublishing.org/as/abstract.cfm?uri=as-73-3-320, accessed 28.04.2020.

18. Hugger S., Fuchs F., Jarvis J., Yang Q.K., Rattunde M., Ostendorf R., Rieblinger K. Quantum cascade laser based active hyperspectral imaging for standoff detection of chemicals on surfaces // Proceedings Volume 9755, Quantum Sensing and Nano Electronics and Photonics XIII, 97550A (2016). Available at: https://doi.org/10.1117/12.2210913, accessed 28.04.2020.

19. Rayner T., Weida M., Pushkarsky M., Day T. Remote explosive and chemical agent detection using broadly tunable mid-infrared external cavity quantum cascade lasers // Proceedings Volume 6540, Optics and Photonics in Global Homeland Security III; 65401Q (2007) DOI:10.1117/12.727700.

20. Fufurin I.L., Tabalina A.S., Morozov A.N., Golyak I.S., Svetlichnyi S.I., Anfimov D. R. & Kochikov I.V. . Identification of substances from diffuse reflectance spectra of a broadband quantum cascade laser using Kramers–Kronig relations // Optical Engineering, 2020, №59(6), 061621. DOI:10.1117/1.OE.59.6.061621.

21. Golyak, I. S., Morozov, A. N., Svetlichnyi, S. I., Tabalina, A. S., & Fufurin, I. L. (2019).

Identification of chemical compounds by the reflected spectra in the range of 5.3–12.8 μm Radio Engineering

49

using a tunable quantum cascade laser. Russian Journal of Physical Chemistry B, 13(4), 557-564/ (in Russ.).

22. Fufurin I.L, Tabalina A.S., Morozov A.N., Golyak I. & Svetlichnyi S.I. Causality relations in analysis of diffuse reflectance spectra obtained by infrared quantum cascade laser // International Conference on Optical Instruments and Technology: IRMMW-THz Technologies and Applications, 114410G (12 March 2020). DOI: 10.1117/12.2549554.

Radio Engineering

50