Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск
Том 24, № 4 (2021)
Скачать выпуск PDF

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 

6-18 298
Аннотация

Введение. Радиолокационное изображение (РЛИ) – это изображение, получаемое зондированием земной поверхности с помощью радиолокационного устройства. РЛИ обладает важной особенностью в виде спекл-шума, который вызывает зернистость фона. Данный шум необходимо фильтровать с целью улучшения качества РЛИ. Фильтры спекл-шума часто имеют в своей структуре один или несколько параметров, которые контролируют уровень сглаживания шума и значения которых приходится подбирать экспериментально. В статьях, посвященных фильтрации спекл-шума, авторы часто не поясняют, как были выбраны значения параметров фильтров.
Цель работы. Представление методики для выбора оптимальных в смысле качества получаемого изображения параметров фильтров мультипликативного спекл-шума на РЛИ.
Материалы и методы. Рассмотрена разработанная методика поиска оптимальных параметров фильтров спекл-шума применительно к наиболее часто используемым фильтрам. Поиск оптимальных параметров и тестирование работы фильтров проводятся на специально разработанном изображении, содержащем объекты, наиболее часто встречающиеся на РЛИ. Метрикой, оценивающей качество проведенной фильтрации, служил индекс структурного сходства SSIM (Structural Similarity Index Metric).
Результаты. После нахождения оптимальных по SSIM параметров рассматриваемых фильтров проведено сравнение работы фильтров с точки зрения обработки РЛИ и найдены наилучшие фильтры для этой задачи. Также работа рассматриваемых фильтров протестирована на изображениях, содержащих различные типы объектов, а именно: большие объекты, мелкие объекты, резкие границы. Зная, какой фильтр наилучшим образом справляется со сглаживанием шума на той или иной области и какие для этого необходимы значения варьируемых параметров, можно использовать полученные результаты для фильтрации радиолокационных изображений. Фильтрация не только улучшает восприятие РЛИ человеком, но и позволяет снизить влияние спекл-шума на дальнейшую автоматизированную обработку РЛИ (детектирование объектов, сегментация областей и др.).
Заключение. Предложенный алгоритм позволил найти оптимальные параметры для нескольких фильтров спекл-шума. Качество фильтрации оценивалось экспертным способом (визуально), посредством сравнения изображений до и после фильтрации, разностных изображений и одномерных срезов изображений. Фильтр Фроста и фильтр анизотропной диффузии с оптимальными параметрами показали лучшее качество обработки по SSIM.

19-26 184
Аннотация

Introduction. Modern digital phased array antenna (DPAA) systems incorporate a large number of identical transceiver modules (TMs). These modules require real-time calibration with a high level of accuracy. In a previous work, we proposed a real-time calibration method for all receiver channels, which is based on the use of a calibration signal (CalSig) of the same frequency spectrum as the reflected signal and modulated in phase and amplitude by BPSK and OOK codes, respectively. This method was found to have a number of advantages over conventional approaches. However, the use of the same CalSig sample for all receiving channels increases the noise power gain at the output of a digital beam-forming unit (DBU). To overcome this limitation, we set out to improve the structure of CalSigs by making them pseudo-orthogonal. As a result, the noise power gain at the DBU output can be significantly reduced compared to that obtained in our previous work.
Aim. To propose an improved design of a controlled amplitude modulation code OOK generator, which allows creation of pseudo-orthogonal CalSigs. As a result, the noise power gain at the output will increase insignificantly, thus having no negative effect on the quality of digital beam forming, signal processing and calibration.
Materials and methods. Theory of system engineering and technology; theory of digital signal processing; system analysis; mathematical modeling.
Results. An improved CalSig for calibrating the receiving channels of TMs was obtained. A structural diagram allowing the formation of pseudo-orthogonal CalSigs was synthesized.
Conclusions. We proposed a new approach to improving the structure of signals used for real-time calibrating the DPAA receiving channels. A structural diagram of an amplitude-modulated OOK code generator for pseudo-orthogonal CalSigs was developed.

ТЕЛЕВИДЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ 

27-36 143
Аннотация

Введение. Все более популярным становится внедрение в промышленность систем машинного зрения, особенно это актуально для контроля электронных компонентов. Одним из наиболее широко распространенных видов неразрушающего контроля является рентгеновский. Поскольку рассматриваемые электронные компоненты, как правило, имеют небольшой размер, то для повышения информативности контроля выполнять их рентгенографию целесообразно по схеме съемки с увеличением изображения. Специфика рентгеновской аппаратуры для выполнения таких исследований предполагает сравнительно небольшие входные дозы рентгеновского излучения в плоскости приемника, что обуславливает более высокую зашумленность снимков, чем при традиционной рентгенографии.
Цель работы. Разработка метода автоматизированного поиска объектов на микрофокусных рентгеновских снимках.
Методы и материалы. Предложен метод сегментации рентгеновских изображений. На первом шаге выполняется адаптивная медианная фильтрация, на втором шаге - коррекция фона изображения путем вычитания искажающей функции. Далее выделяются контуры объектов на изображении по методу Кэнни, затем на полученном изображении определяются объекты.
Результаты. Разработанный метод был апробирован в задаче контроля качества установки микросхем и в задаче определения числа электронных компонентов. Эксперименты подтвердили корректность работы предлагаемого метода. Было выявлено, что при определении качества установки микросхем количество обнаруженных дефектов отличается от верифицированных оператором не более чем на 10 %, при определении количества электронных компонентов предложенным методом средняя ошибка составила менее 0.1 %.
Заключение. Представленный метод определения объектов на микрофокусных рентгеновских снимках продемонстрировал достаточную точность в типичных задачах неразрушающего контроля электронных компонентов.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫ 

37-47 199
Аннотация

Введение. Отражательные антенные решетки (ОАР) обладают рядом конструктивных и функциональных преимуществ относительно ближайшего аналога – зеркальных антенн (ЗА). Наиболее предпочтительными элементами ОАР являются микрополосковые, однако однослойные микрополосковые элементы зачастую не позволяют точно скорректировать фазу в ОАР из-за ограниченного диапазона фазовой регулировки и высокой крутизны фазовой кривой. Использование многослойных элементов заметно усложняет и удорожает конструкцию антенны. В связи с этим актуален поиск однослойных элементов, обеспечивающих фазовую регулировку более 360° с малой крутизной фазовой кривой.
Цель работы. Разработка однослойного микрополоскового фазокорректирующего элемента отражательного типа с диапазоном регулировки более 360° и создание на его основе ОАР для работы в сетях спутниковой связи.
Материалы и методы. Численные исследования проведены методом конечных элементов и методом конечных разностей во временно́й области. Характеристики направленности измерялись сканированием ближнего поля в безэховой камере.
Результаты. Разработан фазокорректирующий элемент на основе однослойного микрополоскового резонатора в виде мальтийского креста с близкой к линейной зависимостью фазы отраженной волны от размера элемента, обеспечивающий диапазон фазовой регулировки более 360°. На основе исследованного элемента разработана и изготовлена разборная конструкция ОАР, в которой рефлектор состоит из четырех подрешеток, что обеспечивает компактное свертывание ОАР для транспортировки. Результаты экспериментальных исследований показали высокую эффективность ОАР, коэффициент усиления (КУ) которой на 1.5 дБ ниже КУ ЗА идентичных габаритных размеров в относительной полосе рабочих частот (ОПРЧ) 7 %. ОПРЧ ОАР по уровню снижения КУ на 1 дБ составила 11 %.
Заключение. На основе элемента в виде мальтийского креста возможна реализация однослойных ОАР с ОПРЧ более 10 %. Разработанный макет показал возможность создания высокоэффективных сворачиваемых ОАР для работы в составе терминалов спутниковой связи и телевидения.

РАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯ 

48-56 129
Аннотация

Введение. При анализе рассеяния радиоволн на случайных поверхностях часто используют интегральные уравнения, решаемые численными методами, работоспособными лишь при ограничении размеров поверхности. Указанное ограничение приводит к появлению краевых токов, которые, в свою очередь, вызывают существенные ошибки в расчетах эффективной площади рассеяния (ЭПР), особенно при скользящих углах облучения. Для снижения влияния краевых токов обычно используют функцию усечения падающего поля, которая должна удовлетворять совокупности требований – обеспечивать малое подавление поля по всей площади поверхности конечного размера между ее краями и одновременно снижение амплитуды поля до пренебрежимо малых значений при приближении к этим краям. Падающее поле с используемой функцией усечения должно удовлетворять волновому уравнению с минимальной погрешностью. Известны различные функции усечения падающей волны (гауссовская, Торсоса, интегральная), однако ни одна из них полностью не удовлетворяет предъявляемым требованиям.
Цель работы. Предложить новую функцию усечения амплитуды электромагнитной волны, падающей на возмущенную поверхность ограниченного размера, для расчета ее ЭПР. По сравнению с известными функциями усечения новая функция должна удовлетворять всей совокупности предъявляемых требований.
Материалы и методы. Выполнено сравнение предложенной функции усечения амплитуды падающего поля с известными функциями усечения, в том числе проведена оценка погрешности удовлетворения волновому уравнению. Для доказательства применимости предложенной функции усечения в среде MatLab выполнено математическое моделирование бистатической диаграммы рассеяния двумерной морской поверхности конечной длины с пространственным спектром Эльфохейли методом Монте-Карло.
Результаты. Установлено, что предложенная функция усечения амплитуды падающего поля удовлетворяет предъявляемым требованиям лучше известных функций. Результаты математического моделирования показали, что новая функция обеспечивает приемлемую точность оценки ЭПР случайных поверхностей конечной длины.
Заключение. Получена новая функция усечения амплитуды падающего поля для уменьшения влияния краевых токов на точность оценки ЭПР двумерных случайных поверхностей конечной длины, которая рекомендуется к использованию при решении задачи рассеяния.

57-67 207
Аннотация

Введение. Диаграммы рассеяния непоглощающих кодированных шахматно-подобных метапокрытий (МП) для снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР) металлических поверхностей объектов неизбежно содержат боковые дифракционные лепестки. В связи с этим актуальна разработка МП с низким уровнем дифракционных лепестков. С этой целью предложено использовать шахматно-подобные МП в виде набора нескольких основных плоских блоков с одинаковыми размерами. В статье рассмотрены 2 таких основных блока МП с разными матрицами кодирования. Ячейки метаповерхности содержат связанные эллиптические кольцевые резонаторы и отличаются двухбитным кодированием угла наклона оси анизотропии. Матрицы кодирования блоков МП построены по блочному принципу.
Цель работы. Экспериментально и численно исследовать диаграммы обратного рассеяния (ДОР) на согласованной (ко-) и ортогональной (кросс-) поляризациях двух разработанных плоских блоков двухбитных цифровых непоглощающих анизотропных МП для различных плоскостей и поляризаций облучения.
Материалы и методы. Полноволновое моделирование блоков МП выполнено в программе HFSS методом конечных элементов. Измерения ДОР изготовленных макетов МП проведены на автоматизированном информационно-вычислительном комплексе АИВК-ТМСА-1.0-40.0-ДБ3/TD,FD в безэховой камере ЦКП "Прикладная электродинамика и антенные измерения" Южного федерального университета.
Результаты. Снижение моностатических ЭПР двух блоков при нормальном облучении примерно одинаково и составляет не менее 12 дБ в полосе от 9.8 до 21 ГГц. Отмечено хорошее совпадение результатов полноволнового моделирования и измерения ДОР блоков разработанных метапокрытий в области центральных лепестков для различных плоскостей и поляризаций облучения. В главных плоскостях блоки гасят центральные лепестки ДОР на 10…25 дБ; в секторе углов около ±40° обратная ЭПР блоков ниже, чем у эталона. В диагональных плоскостях наблюдается гашение ЭПР на 13…15 дБ и расширение центрального лепестка ДОР на кополяризациях, а также раздвоение этого лепестка на кроссполяризациях в секторе углов ±9°. Вне этого сектора ЭПР блоков соизмерима с ЭПР эталона.
Заключение. Разработанные блоки двухбитных цифровых непоглощающих анизотропных МП могут применяться для широкополосного гашения ЭПР металлических поверхностей.

ПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 

68-78 209
Аннотация

Введение. Переход глюкозы в кровь при перитонеальном диализе с регенерацией диализирующего раствора приводит к снижению скорости удаления излишков жидкости из организма и соответствующим нарушениям водно-солевого баланса.
Цель работы. Рассмотрена система автоматического поддержания концентрации глюкозы в диализирующем растворе, обеспечивающая эффективную ультрафильтрацию, а также предложен бесконтактный фотометрический датчик обратной связи.
Материалы и методы. Датчик представляет собой оптическую пару из лазерного ИК-диода мощностью 30 мВт с длиной волны 1600 нм, фотодиода и кварцевой трубки, через которую осуществляется циркуляция исследуемого раствора. Датчик измеряет ослабление проходящего через раствор импульсного ИК-излучения, на основании которого рассчитывается концентрация глюкозы. Подобранная комбинация цифровых фильтров обеспечивает компенсацию шумов оптической пары. Экспериментальные исследования эффективности датчика проводились на растворах для перитонеального диализа с различными концентрациями мочевины, креатинина, мочевой кислоты и глюкозы. В начале экспериментов датчик калибровался на чистом растворе.
Результаты. В результате экспериментов показано, что разработанный датчик позволяет измерять концентрацию глюкозы в растворе для перитонеального диализа в диапазоне 42…220 ммоль/л с относительной погрешностью около 15 %. Время одного измерения составляет примерно 1 мин, что позволяет получать актуальную информацию о текущей концентрации раствора.
Заключение. Указанное сочетание характеристик позволит использовать датчик в носимых аппаратах "искусственная почка" для оценки содержания глюкозы в растворе, расчета времени замены раствора и в качестве датчика обратной связи для системы поддержания концентрации осмотического агента.

79-89 297
Аннотация

Введение. Поздние потенциалы желудочков являются предиктором ряда серьезных нарушений сердца, таких как синдром внезапной смерти, инфаркт миокарда, желудочковые тахиаритмии. Оценка характеристик поздних потенциалов желудочков позволяет судить о степени таких нарушений и возможных для жизни человека опасных последствиях.
Цель работы. Исследование погрешности оценки характеристик поздних потенциалов желудочков по 12-канальной электрокардиограмме (ЭКГ) высокого разрешения.
Методы и материалы. Поздние потенциалы желудочков выявляются путем определения модуля электрического вектора сердца по сигналам ортогональных отведений. Для оценки погрешности преобразования использовались синхронные записи ЭКГ-сигналов 12-канальных и ортогональных отведений, методы цифровой фильтрации для снижения уровня шумов и помех, методы выделения характерных точек QRS-комплекса и поздних потенциалов желудочков.
Результаты. Преобразование ЭКГ-сигналов 12-канальных отведений в сигналы ортогональных отведений приводит к появлению погрешностей оценки модуля электрического вектора сердца и всех показателей VLP-сигнала. Показана целесообразность использования преобразования Корса. Оно обеспечивает минимальные погрешности оценки модуля электрического вектора сердца на участке QRS-комплекса, погрешности оценки VRMS не более 0.084 %. Для оценки погрешности QRSd и LAS необходимо учитывать характер изменения VLP-сигнала и зоны неопределенности их оценки. Неоднозначность результатов оценки границ нарушений и отсутствия патологии деполяризации желудочков сердца говорит о влиянии большого количества факторов на точность результатов исследований. Погрешности их оценки могут быть причиной гипо- и гипердиагностики опасных нарушений ритма сердца, прогнозирования рисков ухудшения состояния здоровья пациента.
Заключение. Результаты исследования позволяют выделить пути снижения погрешности оценки показателей поздних потенциалов желудочков, повысить точность диагностики опасных нарушений ритма сердца и прогноза обострения заболевания из-за структурно-морфологических нарушений миокарда.



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


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