ТУСУР разрабатывает принципиально новый метод микроволновых исследований

От зондирования Земли до медицинской диагностики

Работа над созданием принципиально нового метода пассивных микроволновых исследований ведется в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники. Недавно проект «Новый метод пассивных микроволновых исследований быстропротекающих радиотепловых процессов природного и антропогенного характера» под руководством доцента кафедры радиоэлектроники и систем связи Антона Убайчина получил грантовую поддержку РНФ.

Исследование теплового электромагнитного излучения, порожденного материальными объектами, имеет множество научно-прикладных направлений. Существующие системы пассивных микроволновых исследований (микроволновые радиометры) обладают сравнительно низким быстродействием – одно измерение выполняется в течение одной или нескольких секунд, передовые системы обладают быстродействием порядка нескольких сотен миллисекунд. Имеющийся уровень быстродействия микроволновых радиометров недостаточнен для того, чтобы решать новые и перспективные задачи в области дистанционного зондирования Земли, пассивного радиовидения, создания объемных радиотепловых изображений человеческого организма для решения задач ранней медицинской диагностики, всепогодной навигации летательных аппаратов и многих других процессов.

– Необходимость развития этого направления исследований стала ясно прослеживаться при завершении работы по моей кандидатской диссертации, посвященной смежным вопросам по повышению чувствительности микроволновых радиометрических систем. Решение задач, поставленных в диссертационном исследовании под руководством профессора Александра Филатова, позволило систематизировать проблемную область и предложить принципиально новый методический подход к проведению пассивных микроволновых исследований быстропротекающих радиотепловых процессов природного и антропогенного характера, который посвящен решению комплексной проблемы увеличения динамических свойств радиометрических систем, – рассказывает Антон Убайчин.

Молодой ученый предлагает принципиально новый подход к проведению пассивных микроволновых исследований. Этот подход подразумевает использование принципов спектрально-­временного разделения при исследовании быстропротекающих радиотепловых процессов. Временной интервал измерений при этом разбивается на элементарные маленькие интервалы, каждый из которых обрабатывается отдельным приемником. Применение новых алгоритмов со ступенчатой следящей обратной связью и предложенных способов оперативного регулирования ее глубины в зависимости от априорной информации об огибающей интенсивности теплового излучения кратно повышает динамические свойства измерительной системы.

– Конечно, кроме временного разделения есть и более глубокие, фундаментальные принципы реализующего метода. В целом эти принципы основаны на использовании двух высокостабильных опорных генераторов шумов в каждом приемнике, относительно которых происходит сравнение с последующим уравниванием энергии сигнала, который поступает в антенну, – рассказывает об особенностях нового метода ученый. – Научно-техническая изюминка, предложенная при выполнении этого проекта, заключается в способе уравнивания входной энергии антенны. Оригинальный способ уравнивания приводит к тому, что в области малых времен, соизмеримых с длительностью быстрых радиотепловых процессов, влияние аномальных флуктуаций собственных шумов приемника (которые обладают одинаковой природой с измеряемыми шумами) нивелируются. Также нивелируются аномальные флуктуации коэффициентов передачи приемников, а они в области малых времен также оказывают значимое влияние на результат измерений. Казалось бы, ничего сложного, но осуществление таких измерений существующими методами невозможно.

По словам доцента Убайчина, фактически фундаментальный уровень динамических свойств функционирования существующего уровня специализированной измерительной аппаратуры на основе классических измерительных методов ограничен временным быстродействием в сотни миллисекунд при требуемом уровне чувствительности.

Российский научный фонд (РНФ) – некоммерческая организация, созданная в целях финансовой и организационной поддержки фундаментальных и поисковых научных исследований, подготовки научных кадров, развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенной области науки.
Миссия фонда заключается в выявлении наиболее перспективных и амбициозных научных проектов, наиболее эффективных и результативных ученых, способных сплотить вокруг себя коллектив единомышленников, воспитать молодое поколение российских исследователей, выполняющих научную работу на самом высоком мировом уровне.
Победители конкурсов фонда при условии достижения ими значимых для мировой науки, российской экономики и общества результатов получают долговременную перспективу проведения исследований, имеющих необходимое финансовое обеспечение.

Порожденные ветром

Среди проектов, которые подтолкнули Антона Убайчина к работе над новым методом измерений, – изготовление микроволнового радиометра, предназначенного для исследования солнечной активности в Крымской астрофизической обсерватории (разработанный микроволновый радиометр работает там и сегодня).

– Наибольший интерес с научной точки зрения представляют вспышки, происходящие на поверхности Солнца. Изменение излучения при этом происходит с постоянными времени порядка нескольких миллисекунд. При этом их последствия для нашей планеты отложены во времени. Солнечный свет и солнечная радиация достигают нашей планеты за время порядка 9 минут после вспышки, а ионный ветер, который ею порожден, долетает до Земли через два с половиной – три дня. По форме всплесков в солнечной короне можно сказать, в каком направлении и с какой интенсивностью он будет распространяться. Это крайне важно, поскольку колебания, которые вызывает в атмосфере Земли ионный ветер, оказывают порой существенное влияние как на самочувствие людей, так и на работу радиооборудования, – рассказывает Антон Убайчин. – Как только мы установили наш радио­метр, произошла вспышка, и мы увидели красивый, размазанный во временной области всплеск. И я, как технический специалист, разработавший этот прибор, понял, что, для того чтобы исследовать это явление с повышенной разрешающей способностью по времени, нужны новые методы и средства.

Еще одна прикладная задача, которую применение нового метода исследований может решать на новом уровне, – формирование «радиотепловых портретов» земной поверхности с помощью спутникового зондирования. Спутники дистанционного зондирования, как правило, расположены не на геостационарных орбитах, а находятся в постоянном движении вокруг земной поверхности со скоростью порядка 5-10 километров в секунду. Имеющиеся приборы, используемые для зондирования поверхности пассивными методами, осуществляют от единиц до десятков измерений в секунду. Учитывая, какое расстояние спутник преодолевает за это время, можно говорить о сравнительно низком обеспечиваемом пространственном разрешении.

Однажды, сотню лет назад…

– Системы, которые применяются для этих целей сегодня, по своей сути являются модернизацией тех измерительных систем, которые впервые были реализованы еще в первой половине XX века. На протяжении десятилетий менялась элементная база: электроламповые приборы, параметрические усилители, транзисторы, системы на кристалле… Но принцип построения системы оставался неизменным. Мы же предлагаем новый принцип реализации систем. Чтобы решать передовые, актуальные научно-прикладные задачи, необходимо исследовать новые, более тонкие эффекты, которые могут быть спрятаны в сравнительно малых временах: когда длительность одного измерения может составлять от десятков до сотен микросекунд.

Другой интересной задачей является пассивное радиовидение и измерение распределения тепла в теле человека. Главная проблема, которую предстоит решить, – достигнуть приемлемой скорости получения изображений.

– Если в инфракрасном тепловизоре изображение формируется практически в режиме реального времени, то, для того чтобы построить такое же изображение в радиодиапазоне, необходимы десятки часов, – рассказывает доцент кафедры РСС ТУСУРа. – Те исследования, которые мы провели на данный момент, дают положительные прогнозы повышения динамики в сотни и, возможно, в тысячи раз. Это еще предстоит выяснить в рамках выполнения предстоящих исследований. В области пассивного радиовидения это позволит сократить время формирования высокодетального изображения до нескольких секунд.

По итогам конкурсов РНФ 2021 года на получение грантов по мероприятиям «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» и «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» грантополучателями стали четыре персональных проекта молодых ученых ТУСУРа, а также пять проектов, предусматривающих работу в составе научных групп под руководством молодых ученых университета.

Автор: Иван Шмелев
Фото: Евгений Тамбовцев