Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск
Том 22, № 5 (2019)
Скачать выпуск PDF

ТЕЛЕВИДЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ

6-16 14
Аннотация

Введение. Современные системы активной безопасности транспортных средств призваны существенно снизить количество дорожно-транспортных происшествий. Датчики на основе монокулярных камер все чаще внедряются ведущими мировыми автопроизводителями как эффективный инструмент повышения безопасности движения. Современные методы локализации и классификации в совокупности с алгоритмами семантической сегментации позволяют разделить изображение на независимые группы пикселов, соответствующие каждому объекту. Тем не менее является актуальным разработка методов сегментации, обеспечивающих улучшение качества сегментации изображений.

Цель работы. Разработка автоматического метода сегментации детектированного объекта интереса на изображении.

Методы и материалы. В статье предложен автоматический метод сегментации транспортных средств на изображении. Представленный метод позволяет провести семантическую сегментацию объекта интереса на основе априорной информации о границах прямоугольника, ограничивающего объект на изображении. Информация о границах объекта используется для преобразования изображения в полярную систему координат, где пикселы изображения выступают в роли ребер взвешенного графа. С использованием алгоритма поиска кратчайшего пути и обратного преобразования в декартову систему координат вокруг объекта интереса формируется замкнутый контур.

Результаты. Проведенные эксперименты подтвердили корректность выделения объекта интереса на основе предложенного метода. Коэффициент сходства Жаккара для открытой базы изображений Carvana составил 85 %. Предложенный метод также был успешно применен к разным классам изображений базы Pascal VOC, что доказало возможность обработки объектов различных классов.

Заключение. Основной вклад предложенного метода: 1) позволяет сегментировать объект интереса на уровне современных методов сегментации, а в отдельных случаях превосходит их; 2) предоставляется новый взгляд на способ прослеживания контура объекта.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫ

17-32 10
Аннотация

Введение. Для увеличения скорости передачи данных в современных системах беспроводной радиосвязи необходимо существенное расширение полосы частот передаваемых сигналов, что возможно за счет увеличения рабочей частоты до миллиметрового диапазона. В системах радиосвязи миллиметрового диапазона соединение пассивных элементов антенно-фидерного тракта, реализованных на металлических волноводах, и активных элементов радиочастотного тракта, имеющих интерфейс на основе микрополосковых линий, осуществляется с помощью волноводно-микрополоскового перехода (ВМПП).

Цель работы. Разработка и исследование широкополосного ВМПП для частотного диапазона 60 ГГц с низким уровнем потерь для эффективной передачи сигналов между активными элементами радиочастотного тракта и пассивными элементами антенного тракта.

Материалы и методы. Оценка влияния материала подложки и свойств металлической фольги на характеристики печатных структур и расчет характеристик разработанного перехода выполнены с помощью электродинамического моделирования в системе автоматизированного проектирования CST Microwave Studio и подтверждены результатами экспериментального исследования изготовленных образцов широкополосного волноводно-микрополоскового перехода на векторном анализаторе цепей.

Результаты. Разработанный ВМПП основан на использовании проводящего зонда, реализованного на печатной плате, закрепленной между стандартным подводящим волноводом WR15 и четвертьволновой заглушкой того же сечения. Для уменьшения потерь в переходе на печатной плате выполнены сквозные неметаллизированные отверстия, симметрично расположенные вокруг зонда для уменьшения доли диэлектрика печатной платы в волноводном канале. По результатам экспериментального исследования изготовленных макетов переходов, реализованных на печатных платах, выполненных из материалов RO4350B и RT/Duroid 5880 производства компании "Rogers", было получено, что переход согласован по уровню коэффициента отражения S11 <-10 дБ в полосе частот 50...70 ГГц и обеспечивает потери на прохождение не более 0.4 и 0.7 дБ для материалов RT/Duroid 5880 и RO4350B соответственно.

Заключение. Предложенный метод снижения потерь в волноводно-микрополосковом переходе осуществляется за счет уменьшения влияния диэлектрической подложки при использовании различных СВЧ-материалов печатных плат. Это позволяет рассматривать разработанный волноводно-микрополосковый переход как перспективный для соединения различных микрополосковых и волноводных устройств миллиметрового диапазона длин волн.

33-41 8
Аннотация

Введение. В связи с освоением миллиметрового диапазона и развитием средств широкополосной связи имеется потребность в антенных системах, которые работали бы в широкой полосе частот (порядка октавной), имели высокую направленность и компактные размеры. Имеющиеся решения, как правило, не удовлетворяют данным требованиям.

Цель работы. Конструирование и экспериментальное исследование антенной решетки (АР) К-диапазона, обладающей высоким коэффициентом использования площади (КИП) и малыми продольными размерами.

Материалы и методы. Численные исследования проводились в САПР СВЧ (CST Studio Suite), экспериментальные исследования – на оборудовании для векторного анализа СВЧ-цепей (Agilent E8363B PNA). Характеристики направленности измерялись методом сканирования ближнего поля.

Результаты. Предложен вариант реализации широкополосной АР К-диапазона (18…26 ГГц). Период АР составляет 2.25 длины волны на верхней частоте диапазона. Для подавления дифракционных лепестков использован дополнительный слой, состоящий из линз из искусственного неоднородного диэлектрика, сформированный из тонких фигурных слоев листового полиэтилентерефталата. Предложена гибридная конфигурация диаграммообразующей схемы (ДОС), в которой одна часть схемы выполнена на основе печатных двухпроводных линий передачи, а другая – на прямоугольных волноводах. АР имеет КСВ ниже 2 и КИП выше 0.5, уровень боковых и дифракционных лепестков не превышает –12 в диапазоне 18…26 ГГц. Суммарная толщина всей системы составила 50 мм, что равно 4.3λmin. Если из конструкции исключить волноводную часть, толщина может быть уменьшена до 2.5λmin что обеспечивает компактность АР при широкой полосе рабочих частот.

Заключение. По сравнению с имеющимися решениями антенна имеет более простую ДОС, за счет чего улучшается согласование с фидером. За счет применения линз из неоднородного диэлектрика обеспечивается высокий апертурный КИП в широкой полосе частот.

42-51 15
Аннотация

Введение. Для решения задачи радиополяриметрии в многопозиционных микроволновых досмотровых системах (ММДС) с апертурным синтезом необходимо использовать антенны с высоким уровнем кроссполяризационной развязки (КПР) в широком пространственном угле. Восстановление радиоизображений в ММДС происходит на дистанциях, соизмеримых с размерами апертуры антенных структур, поэтому значение пространственного угла, в котором необходимо выполнение требования высокой КПР, может достигать 30°. Таким образом, возникает новая задача создания антенной структуры X- и Ku-диапазонов, применение которой в ММДС позволило бы решить задачу построения радиоизображения деполяризованного микроволнового излучения, рассеянного скрытыми опасными объектами на теле человека.

Цель работы. Разработка приемной антенны жесткой конструкции для долговременной эксплуатации в ММДС с уровнем КПР 28 дБ при пространственном угле 30° и рабочих частотах 8… 20 ГГц.

Материалы и методы. Определены требования для приемной антенны в ММДС. Приведены теоретические обоснования для выбора конструкции антенны. В разработанной ММДС для построения микроволнового изображения используется апертурный синтез. Представлены этапы и результаты моделирования широкополосных двухгребневых антенн в программе трехмерного моделирования электромагнитного поля CST Studio. Рассмотрены результаты моделирования двухгребневых антенн: пирамидальной, конической, в круглом и эллиптическом волноводах. Произведено сравнение результатов измерения в безэховой камере для макета полученной антенны и результатов моделирования.

Результаты. Разработана и изготовлена двухгребневая эллиптическая антенна жесткой конструкции, с КСВН не более 2 и кроссполяризационной развязкой в пространственном угле 30° не менее 28 дБ в диапазоне частот, перекрывающем октаву.

Заключение. Антенна может быть использована в ММДС для детектирования эффекта деполяризации микроволнового излучения скрытыми опасными объектами на теле человека. Высокое значение КПР антенны в широком пространственном угле позволит в дальнейшем внедрить микроволновую поляриметрию в ММДС.

РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ

52-60 8
Аннотация

Введение. Существующая в настоящее время необходимость получения актуальной, полной и достоверной информации о воздушных объектах определяет постоянное совершенствование современных систем радиолокационного распознавания (СРЛР), входящих в состав систем управления. Развитие современных СРЛР создает объективные предпосылки для использования прогрессивных и разработки новых методов и алгоритмов обработки сигналов с помощью нейронных сетей. Применение искусственных нейронных сетей, обладающих свойством обучаемости, позволяет расширить множество признаков распознавания за счет использования полученной в процессе контроля воздушного пространства информации.

Цель работы. Формулировка задачи и разработка предложений по использованию апостериорной информации для контроля воздушного пространства в системах радиолокационного распознавания при применении нейросетевых технологий.

Материалы и методы. На основе анализа структуры единого информационного пространства сформулирован подход к развитию СРЛР на основе обучающих технологий. С применением метода синтеза предложены примеры технических решений, позволяющие использовать современные методы и алгоритмы обработки сигналов на основе апостериорной информации, формируемой системой управления.

Результаты. Сформулированы принципы обучения нейронной сети при решении задачи распознавания в процессе функционирования радиоэлектронных средств (РЭС). Предложены технические решения, учитывающие функционирование интегрированной радиолокационной системы и позволяющие в едином информационном поле получать требуемые для обучения СРЛР информационные параметры. Показано, что снятие ограничений, связанных с автономностью функционирования РЭС, позволяет использовать апостериорную информацию при реализации систем радиолокационного распознавания. Этот факт дает возможность увеличить количество используемых в алгоритмах признаков распознавания и пополнить базы портретов.

Заключение. СРЛР может развиваться посредством обучения за счёт снятия ограничений, связанных с автономностью функционирования РЭС. Это позволяет повысить адекватность оценки обстановки и оптимизировать принимаемые управленческие решения.

61-70 9
Аннотация

Введение. Основными задачами вторичной обработки радиолокационной информации являются обнаружение и сопровождение траекторий движения воздушных целей (ВЦ). При этом процесс обнаружения траекторий движения ВЦ принято характеризовать вероятностями их обнаружения и средним временем их автозахвата. При движении цели ее дальность от радиолокационной станции (РЛС) изменяется, что приводит к изменению отношения сигнал/шум и вероятности обнаружения ВЦ.

Цель работы. Оценка влияния изменения вероятности обнаружения прямолинейно движущейся цели при радиолокационных наблюдениях на характеристики обнаружения траектории ее движения при вторичной обработке радиолокационной информации.

Методы. Используются методы математической статистики: проверка статистических гипотез, оценка параметров распределений и теория возмущений по малому параметру. В качестве возмущающего параметра выбрано отношение расстояния, проходимого ВЦ за период обзора, к дальности цели в начальный момент ее обнаружения.

Результаты. Получены аналитические выражения для вероятности обнаружения прямолинейно движущейся ВЦ и вероятности обнаружения траектории ее движения на интервалах, кратных периоду обзора. Проиллюстрировано уменьшение вероятности обнаружения ВЦ, удаляющейся от РЛС, при последовательных радиолокационных наблюдениях с уменьшением отношений сигнал/шум и угла между вектором скорости и радиусом-вектором ВЦ относительно РЛС. Увеличение скорости ВЦ, вызывающее изменение параметра z с 0.01 до 0.07, приводит к уменьшению вероятности обнаружения ВЦ с 0.727 до 0.52 и к соответствующему изменению вероятности обнаружения траектории. При сокращении времени наблюдения на один временной интервал уменьшение вероятности обнаружения траектории составляет от 0.03 до 0.04...0.07 для отношения сигнал/шум 40 и от 0.06 до 0.08...0.11 для отношения сигнал/шум 25 (при вероятности ложной тревоги 10–4 ).

Заключение. Полученные выражения позволяют рассчитывать характеристики обнаружения траекторий воздушных целей, движущихся прямолинейно, с учетом изменений вероятностей обнаружения целей в последовательных временных интервалах обзора радиолокационных наблюдений.

71-79 15
Аннотация

Введение. Современные воздушные цели, в особенности беспилотные, становятся менее заметными, а их маневренные возможности продолжают совершенствоваться. Для обеспечения эффективного сопровождения высокоманевренных целей актуализируются и алгоритмы траекторной обработки. Поскольку точность фильтрации траекторных параметров во многом определяется достоверностью радиолокационной информации, возрастает роль алгоритмов стробирования. В связи с этим возникает задача повышения эффективности стробирования радиолокационных отметок.

Цель работы. Разработка и исследование эффективности алгоритма траекторного стробирования, основанного на модели движения в скоростной связанной с направлением движения цели системе координат и предполагающего формирование строба в форме усеченного эллипсоидного сектора.

Методы и материалы. Рассмотрены модели движения целей в связанных координатах, которые положены в основу новых алгоритмов траекторного сопровождения, базирующихся на калмановской фильтрации. Рассмотрены существующие методы стробирования радиолокационных отметок от цели и предложен новый подход на основе фильтрации в связанных координатах. Новый алгоритм предполагает формирование строба в форме усеченного эллипсоидного сектора. Такая форма соответствует наиболее вероятному местоположению отметок от сопровождаемой цели. Эффективность предложенных решений подтверждается результатами математического моделирования, выполненного в среде MATLAB.

Результаты. Приведены аналитические выражения для модели движения, рекуррентной фильтрации и алгоритма стробирования в связанных координатах. Проведен сравнительный анализ эффективности сопровождения при одинаковых размерах эллиптического и предложенного стробов. Установлено, что для скоростных и высокоманевренных целей алгоритм с построением строба в форме усеченного эллипсоидного сектора обеспечивает до 30 % более длительное сопровождение до первой потери отметки от цели, чем алгоритм с эллиптическим стробированием. Кроме того, средняя продолжительность сопровождения для секторного строба практически не зависит от начальной скорости движения цели, а при значениях погрешностей измерения координат менее 50 м имеет большее значение, чем для эллиптического.

Заключение. Достигнутый результат обеспечивается способностью строба в связанных координатах подстраиваться под направление движения и маневрирование цели, что позволяет осуществлять качественное сопровождение объектов в большем диапазоне скоростей. Построение такого строба также позволит снизить вероятность пропуска радиолокационных отметок от сопровождаемой цели и обеспечит уменьшение числа ложных отметок и отметок, принадлежащих другим траекториям, внутри строба.

МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА

80-92 9
Аннотация

Введение. В последние десятилетия в фотоэлектронике особое внимание уделяется разработке полупроводниковых матричных фотоприемных устройств, которые фактически стали эффективной альтернативой существующим аналоговым телевизионным приемным системам. Среди таких устройств линейные позиционно-чувствительные датчики применяются для регистрации быстрых изменений в окружающей обстановке и их последующей обработки (например, быстродействующие локаторы летательных аппаратов).

Цель работы. Создание линейки кремниевых pin-диодов для использования в составе гибридного детектора ИК-излучения с целью регистрации фотоэлектронов с временны́м разрешением лучше 10 нс. Моделирование основных электрофизических характеристик линейки.

Материалы и методы. В разрабатываемом приборе регистрация фотоэлектронов обеспечивается за счет наличия приповерхностного поля при использовании p ++–p-перехода, сформированного диффузией бора в кремний с удельным сопротивлением 3 кОм · см. Тянущее поле, в свою очередь, также формируется в области объемного заряда между p ++ - и n ++ -областями. Для создания n ++ -области проводилась диффузия фосфора. Численные расчеты распределения потенциала, концентрации свободных носителей заряда и токов проводились в программных пакетах одномерного (SimWin) и двумерного (TCAD Synopsys) моделирования.

Результаты. Проведен двумерный расчет распределения концентрации свободных носителей заряда и потенциала в исследуемой pin-структуре. Определены минимальные напряжения, обеспечивающие полное обеднение i-слоя, в том числе для случая продольной канавки различной глубины. Линейка тестировалась в составе гибридного фотоэлектронного прибора облучением световыми импульсами от ИК-светодиода. При напряжении на диодах линейки –270 В достигнута длительность фронта сигнала на всех каналах 5...9 нс.

Заключение. Для гибридного детектора ИК-излучения разработана линейка из 12 кремниевых pin-диодов, с размерами чувствительной области элемента 24 × 0.2 мм. По результатам исследований импульсной характеристики показано, что без операции утонения достигнута длительность фронта сигнала на всех каналах, удовлетворяющая требованиям к быстродействующему позиционно-чувствительному датчику ИК-излучения.

КВАНТОВАЯ, ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ, ПЛАЗМЕННАЯ И ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

93-106 13
Аннотация

Introduction. Metal oxide semiconductor sensors have many advantages. But their working temperature is still high and their sensitivities are frequently low. In the current work, I present the results from investigation of sensing ability of new kind of potentiometric solid state gas sensor.

Aim. The main goal of this work is investigation of the temperature dependence in the flow of air and in ethanol vapour mixture of the investigated junction structures. Also, we investigated at fixed temperature the dependence of the thermoelectric force from the ethanol vapour concentration at possible low operation temperature. For the structure, which shows the lowest operation temperature to ethanol vapour, we investigate the ability to detect Pseudomonas putida suspension.

Materials and methods. In this work, the sensitivity to ethanol vapour and Pseudomonas putida suspension were investigated by measuring the thermoelectric force (the voltage) appearing of the structures by standart voltmeters.

Results. Two experimental installations for sensors have been developed. The first one is for detection of ethanol vapour by ZnO/ZnO:Cu, ZnO/ZnO:CuO, ZnO/ZnO:Fe junction structures. The second installation was for Pseudomonas putida suspension detection in gas phase by ZnO/ZnO:Fe junction structure. We discovered that ZnO/ZnO:Fe structure, has the lowest operation temperature of 200 °C to ethanol vapour. For this structure, the potential difference has a negative value and decreases with increasing the amount of the pulverized bacteria.

Conclusion. We discovered that ZnO/ZnO:Fe structure, has the lowest operation temperature of 200 °C. This operation temperature is a bit higher than operation temperature of at which some very novel sensing structures shows the maximum sensitivity.

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛН

107-115 16
Аннотация

Introduction. In-line analysis of ethanol content in gasoline blends is currently one of the urgent needs of fuel industry. Developing safe and secure approaches is critical for real applications. A phononic crystal sensor have been introduced as an innovative approach to high performance gasoline sensing. Distinguishing feature of proposed sensor is the absence of any electrical contact with analysed gasoline blend, which allows the use of sensors directly in pipelines without the risk of explosion in an emergency.

Aim. Investigation of the possibilities of using phononic sensor structures to determine the ethanol content in liquid hydrocarbons.

Materials and methods. A theoretical analysis of sensor structure was carried out on the basis of numerical simulation using COMSOL Multiphysics software. For measurement, substances of ordinary gasoline and gasoline 63–80 with ethanol concentrations in the range of 1–10 % by volume in increments of 2 % were prepared. The phononic crystal sensor was designed as a stainless steel plate with cylindrical holes and a resonant cavity, formed as a running across the wave propagation path slit between two lattices.

Results. In-line analysis of measuring the concentration of ethanol in alcohol-containing fuels on a phononic crystal structure with a resonant cavity was carried out. Using the Agilent4395A admittance meter, the transmission spectra of longitudinal acoustic waves through the gasoline-filled sensor structure with were obtained. The non-linear correlation between the composition and the speed of sound of the blend is presented in the article is due to the ability to reduce the speed of sound of the mixture with an increase in ethanol concentration in the range of 0–10 % by volume.

Conclusion. A measurement structure on the basis of phononic crystal was created. The measurements of various gasoline-ethanol mixtures show that the sensor has significant sensitivity (0.91 kHz/ms−1 ) with quality factor of 200) to distinguish between regular fuels, gasoline based blends and the presence of additives in standard fuels. The sensor has prospects for in-line analyzes the composition of liquid hydrocarbons.

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛН

116-129 8
Аннотация

Введение. Состояние объектов эксплуатации (например, на железной дороге) контролируется системами диагностики. В их составе используются микроэлектромеханические системы, комплектуемые датчиками ускорения (акселерометрами). В процессе эксплуатации акселерометры подвергаются значительным вибрациям и многократно повторяющимся ударным воздействиям. Это накладывает ограничения на конструкцию и материалы, из которых изготавливаются акселерометры.

Цель работы. Разработка микромеханического акселерометра (ММА) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способного измерять ударные воздействия.

Материалы и методы. Теоретическая часть работы выполнялась с применением математической теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, конечно-элементарного анализа и элементов теории ПАВ. В ходе работы применялась математическая обработка в программах MATLAB, Mathcad, Maple, COMSOL Multiphysics, OOFELIE::Multiphysics, ПО Bluehill3, CorelDRAW. Экспериментальные исследования проведены с привлечением напольной автоматизированной испытательной системы INSTRON 5985.

Результаты. Разработана концепция построения и предложена оригинальная конструкция ММА на ПАВ, способного измерять ударные воздействия в сотни g. Разработан чувствительный элемент (ЧЭ) сенсора. Анализ материалов для пластин в составе конструкции ММА на ПАВ показал, что ЧЭ из кварца ST-среза отличается более широким диапазоном измеряемых ускорений и более высоким порогом чувствительности, чем ЧЭ из ниобата лития среза YX-128°. Выработаны требования и исследована возможность повышения порога чувствительности датчика. Сформулированы требования к проектированию и предложена топология встречно-штыревого преобразователя (ВШП) в виде кольцевого резонатора. Предложена оригинальная топология резонатора с неэквидистантным ВШП для учета анизотропии материала чувствительного элемента. Оценены выходные характеристики: порог чувствительности, динамический диапазон, масштабный коэффициент. Предложена методика расчета ММА на ПАВ с кольцевым резонатором на анизотропном материале. ЧЭ ММА такой конструкции имеет высокий порог чувствительности, широкий динамический диапазон и малую поперечную чувствительность.

Заключение. Предложенная методика проектирования ЧЭ твердотельного датчика линейных ускорений позволяет выбрать материал и систему съема измерительной информации в зависимости от технических требований. Благодаря оригинальности конструкторско-технологического решения предложенный акселерометр позволяет проводить измерения в широком диапазоне ударных воздействий.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)