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

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

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

Об авторах

Б. А. Лаговский

Российский технологический университет

Email: robertlag@yandex.ru
Москва

Е. Я Рубинович

Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН

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

Список литературы

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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).