Локационное радиовидение с контролируемым сканированием тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Федянин Иван Сергеевич

ЛОКАЦИОННОЕ РАДИОВИДЕНИЕ С КОНТРОЛИРУЕМЫМ СКАНИРОВАНИЕМ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск-2012

1 3 ДЕН 2012

005056858

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» на кафедре радиофизике Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор,зав. кафедрой радиофизики ТГУ Якубов Владимир Петрович Официальные оппоненты:

Аксенов Валерий Петрович, доктор физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук.

Кашкин Валентин Борисович, доктор физ.-мат. наук, профессор Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирского федерального университета» (СФУ),

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР)

Защита состоится « 13 » декабря 2012 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 36, ауд.119.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 34а.

Автореферат разослан « 12 » ноября 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Пойзнер Б.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Глобализация современного мира приводит к тому, что пассажиро-оборот между городами и странами неуклонно растет. По данным интернета статистика перевозок пассажиров говорит о том, что за последние пять лет общий объем пассажирооборота, только в России, увеличился с 473,3 до 483,9 млрд. пассажиро-километров, причем в основном за счет воздушного транспорта. Это означает постоянное увеличение нагрузки на аэропорты, а следовательно на обслуживающий персонал и службы безопасности. Растет население крупных городов, и основная нагрузка по перевозу местных жителей ложится на городской транспорт, в частности метро. Печально известные события, связанные с терактами в аэропортах и станциях метро, демонстрируют несовершенство современных средств досмотра пассажиров. Проведение массовых мероприятий, по типу олимпийских игр, концертов, футбольных матчей собирает огромное количество людей со всего мира и очевидно такие мероприятия должны проводиться максимально безопасно для желающих их посетить. Поэтому основной задачей для служб безопасности является своевременное выявление граждан с представляющими потенциальную угрозу намерениями, обнаружение и визуализация опасных предметов, в частности скрытых под одеждой, в ручной клади или в багаже.

Очень важно при этом обеспечить быстрый и бесконтактный досмотр, не создавая паники и не задерживая людей. Современные службы безопасности для поиска опасных предметов, чаще всего, используют стационарные рамки металлодетекторов или ручные металлоде-текторы, которые, имеют ограниченный спектр применений - они эффективны только для обнаружения металлических предметов и не могут показать форму этих предметов. Наиболее достоверную информацию о скрытых предметах дает рентгеновская интроскопия. Однако, используют интроскопы, в основном, для досмотра багажа, так как рентгеновское излучение потенциально опасно для человека и живых организмов. Радиоволновые томографы миллиметрового диапазона длин волн призваны восполнить существующий пробел в системах контроля. Сейчас эти устройства начинают широко применяться в крупных аэропортах и других общественно значимых местах. Однако, такие устройства остаются пока достаточного громоздкими и дорогостоящими так, что покупать их могут очень крупные компании.

В общем, можно резюмировать, что у современных служб безопасности нет доступного, с точки зрения финансов, и универсального прибора для быстрого досмотра граждан. Очевидно, прибор должен

иметь габариты ручного металлодетектора, быть безвредным для окружающих и способный выводить легко читаемое изображение, т.е. работать в миллиметровом диапазоне длин волн. В данной диссертационной работе проводится попытка реализовать прототип такого устройства, которое было бы способно без вреда для человека бесконтактно «заглянуть» под его одежду с помощью радиоволн. При этом исключается применение дорогостоящей элементной базы, значительно уменьшаются массогабаритные параметры, а быстродействие наоборот возрастает. Этот эффект достигается за счет объединения новой идеи реализации схемы сканирования и нового метода восстановления томографических изображений

Цель диссертационной работы

Данная работа имеет своей целью создание бесконтактной томографической системы радиовидения на основе объединения в линейную решетку микроволновых доплеровских датчиков (МДД) перемещений, использующей технологии синтезирования большой апертуры при произвольном, но контролируемом ручном перемещении решетки вблизи зондируемой сцены неоднородностей.

Задачи диссертационной работы

Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Определение необходимых требований для создания ручного радиоволнового сканера на основе сравнительного анализа существующих систем досмотра.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости движущихся микроволновых датчиков перемещений для измерения квадратурных составляющих сигнала от неподвижного объекта.

3. Разработка методики и алгоритма обработай радиолокационного сигнала распределенного на равномерно координатной сетке, основываясь ;на методе синтезирования, тестирование алгоритма на численной модели.

4. Поиск возможностей отслеживания пространственных координат центра радиоволнового сканера и разработка алгоритма для получения координат всех датчиков антенной решетки при произвольном движении сканера.

5. Построение и испытание действующего макета радиоволнового сканера в связке с системой слежения за его пространственными координатами, используя специально разработанное для этого программное обеспечение.

6. Применение разработанного алгоритма обработки сигнала к экспериментальным данным, полученным с помощью разработанного

макета радиоволнового сканера. Восстановление изображения тестовых сцен объектов.

7. Разработка метода восстановления изображения тестовых объектов без использования полного отслеживания пространственных координат датчиков решетки.

Методы исследования

Работа основана на получении и обработке данных реальных экспериментов, проведенных на кафедре радиофизики радиофизического факультета Томского государственного университета. В качестве инструмента для проведения экспериментальных исследований использовался собранный автором макет ручного радиоволнового сканера, состоящий из решётки приёмо-передающих допплеровских датчиков движения, работающих на частоте 24 ГГц, и встроенного магнитного устройства слежения Тайваньской фирмы VR-SPACE INC. Сигнал с микроволновых доплеровских датчиков (МДД) записывался с помощью 14-битового 32-канального АЦП с общей частотой дискретизации 100 кГц. Для синхронного сбора данных с АЦП радиоволнового сканера и системы слежения использовалось специально разработанное программное обеспечение. Для обработки данных были использованы известные методы статистической радиофизики для обработки нестационарных сигналов (теория аналитического сигнала и согласованная фильтрация), а также элементы теории антенн и синтезирования больших апертур с фокусировкой излучения. Автоматическая регистрация данных производилась с помощью программы написанной на языке0 программирования Delphi, на нем же производилась первичная обработка данных. Последующая томографическая обработка данных производилась с использованием математического пакета MathCad.

На защиту выносятся следующие положения

1. Одна из квадратурных составляющих сигналов, отраженных от неподвижных сосредоточенных целей или контуров распределенных целей, находится дифференцированием выходного сигнала типового микроволнового доплеровского датчика мощностью 40 мВт, работающего на частоте 24 ГГц, при перемещении его с постоянной скоростью.

2. Дополненная магнитным ЗО-позиционером линейная решетка из доплеровских датчиков, при ручном её перемещении позволяет с использованием алгоритмов интерполяции трёхмерных координат восстанавливать эквидистантную двумерную радиоголограмму сканируемой сцены неоднородностей.

3. Для построения радио изображения сканируемой сцены неоднородностей по её эквидистантно измеренной (восстановленной) ра-

диоголограмме достаточно выполнить томосинтез методом согласованной пространственной фильтрации с использованием в качестве опорного сигнала измеренной или вычисленной двумерной аппаратной функции системы.

4. Радиоизображение скрытых неоднородностей, полученное без использования координатных данных ЗО-позиционера в области равномерного и прямолинейного относительного движения линейной решетки из доплеровских датчиков, восстанавливается методом согласованной пространственной фильтрации с использованием в качестве опорного сигнала измеренной или вычисленной двумерной аппаратной функции системы.

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы

Достоверность первого защищаемого положения подтверждается тем, что результат обработки лабораторных экспериментальных данных при изменении направления движения совпадают между собой с точностью до знака при одном и том же абсолютном значении скорости движения МДД. Наблюдаемое отличие не превышает уровня шумов, т.е. приблизительно 3 %.

Достоверность второго защищаемого положения, основывается на том, что экспериментально полученная радиоголографическая картина тестовой сцены неоднородностей после интерполяции на равномерную сетку с учетом данных ЗО-позиционера отличается от соответствующей картины, численно рассчитанной, не более чем на половину шага расположения антенных элементов, т.е. 1 см.

Правомерность третьего защищаемого положения подтверждается результатами восстановления изображения заданной сцены неоднородностей после применения алгоритма томосинтеза к данным как численного, так и натурного экспериментов. Экспериментально подтверждено, что на частоте 24 ГГц обеспечивается совпадение формы и взаимное расположение тестовых объектов с точностью до 1-2 см, что близко к потенциально достижимой точности, определяемой рабочей длиной волны 1,25 см.

Достоверность четвертого защищаемого положения основывается на выводе, сделанном в результате обработки экспериментальных данных без использования данных системы ЗО позиционирования. На участке равномерного движения антенной решетки над тестовой сценой неоднородностей, восстановленное изображение неоднородностей имеет разрешающую способность на уровне 2-3 см.

Научная новизна

1. Впервые микроволновые датчики движения, предназначенные для охранных систем и энергосбережения, предложено использовать в качестве приемо-передающих элементов антенной решётки для синтезирования большой апертуры.

2. Предложено конструктивное решение расположения МДД в действующем макете портативного ручного радиоволнового сканера для поиска и томографии скрытых объектов, позволяющее увеличить разрешающую способность в поперечном и продольном направлении сканирования не хуже рабочей длины волны.

3. Теоретически и экспериментально обоснован новый способ получения радиоголограмы и восстановления изображения тестовой сцены неоднородностей на основе сканирования с помощью решётки МДД при её перемещениях, контролируемых с помощью ЗБ позиционера.

4. Впервые алгоритм томосинтеза применен для восстановления изображения, полученного в результате неконтролируемого, но равномерного сканирования с помощью решётки ММД.

Научная ценность защищаемых положений н других результатов работы

1. Результаты работы дают теоретическое обоснование для создания ручного радиоволнового сканера ближнего радиуса действия с использованием доплеровских датчиков, способных обеспечивать пространственное разрешение скрытых объектов с точностью порядка рабочей длины волны.

2. Использование системного таймера точного времени для обработки данных ЗЭ магнитного позиционера позволяет осуществить с точностью до 3 мс взаимную привязку координатных и радиоволновых измерений и на этой основе произвести интерполяцию неэквидистантных данных на равномерную прямоугольную сетку, что важно для использования быстрых алгоритмов томосинтеза.

3. Использование линейной эквидистантой решетки из МДД совместно с ЗО позиционером и алгоритмов интерполяции дает новый метод измерения эквидистантной радиоголограммы при произвольном (ручном) перемещении решетки доплеровских датчиков вблизи исследуемой сцены скрытых объектов.

4. В случае обеспечения достаточно равномерного и прямолинейного движения решетки МДД радиоизображение удовлетворительного качества (на уровне рабочей длины волны) может быть получено без использования точной координатной привязки, что позволяет упростить математическую обработку данных.

Практическая значимость результатов работы

1. Предложенный и реализованный действующий макет ручного радиоволнового сканера на основе решетки из типовых микроволновых датчиков движения, представляет собой портативное устройство и позволяет производить поиск скрытых под одеждой и в ручной клади малоразмерных объектов без вреда для человека, при этом получать изображение деталей формы объектов соизмеримых с рабочей длиной волны.

2. Предложенный способ компоновки элементов антенной решётки увеличивает заполняемость апертуры в поперечном направлении и позволяет повысить разрешающую способность системы в целом не хуже рабочей длины волны.

3. На основе процедуры преобразования декартовых и угловых координат датчика позиционера получен способ непрерывного контроля пространственных координат для каждого элемента антенной решетки датчиков, относительно произвольно движущейся над областью сканирования и реализовать метод томосинтеза с заявленной точностью восстановления тестовой сцены неоднородностей.

4. При обеспечении относительной равномерности сканирования алгоритм восстановления радиоизображения неоднородностей разработанным методом томосинтеза без использования координатной привязки данных, что, в конечном итоге, позволяет удешевить предлагаемое устройство при сохранении приемлемого качества изображения.

Использование и внедрение результатов работы

Все результаты работы были использованы при выполнении следующих проектов министерства науки и образования:

- «Физико-математическая модель радиотомографа», АВЦП № 2.1.2/3339. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки. (2009-2010), рук. Якубов В.П.

- «Радиолокационная томография удаленных объектов за диэлектрическими преградами», ФЦП, мероприятие 1.2.2. Контракт № П452, область знаний «Радиофизика, акустика и электроника», (2009-2011), рук. Шипилов С.Э.;

- «Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры», Государственный контракт № 14.740.11.0076 на выполнение научно-исследовательских работ «Проведение научных исследований коллективами научно-

образовательных центров в области радиофизики, акустики и электроники» по теме: (2010-2012), рук. Якубов В.П.;

- «Разработка локационной аппаратуры радиочастотного диапазона для выявления возможно скрытых на теле человека средств терроризма», Хоздоговор с МИРЭА, номер госрегистрации темы (РК): 01201068006, (2010), рук. Якубов В.П.;

- «Исследование возможности создания томографической системы с использованием электромагнитного и ультразвукового излучения для обнаружения скрытых объектов», Хоздоговор с ИПХЭТ, по контракту от 03 сентября 2010 г. № 09-3-10. Шифр «Штора-1» как составной части Государственного контракта № 158/2010-620к от 19.07.2010 г. (2010-2011), рук. Якубов В.П.;

- «Фокусировка волновых проекций неоднородных сред в сверхширокополосной радиотомографии скрытых объектов», ЕЗН, Федеральное агентство по образованию, (2009-2011), рук. Якубов В.П.;

- «Радиоволновой томосинтез неоднородных сред и объектов», ЕЗН, Федеральное агентство по образованию, (2012-2014), рук. Якубов В.П.;

- «Ручной радиоволновой сканер для поиска скрытых объектов», Инновационный проект по молодежной программе «УМНИК», (2012-2013), рук. Федянин И.С.;

а также в учебном процессе при постановке лабораторных работ в магистерском курсе по радиоволновой томографии по направлению «Радиофизика». Образец ручного радиосканера был представлен на международной выставке «ИНТЕРПОЛИТЕХ-2011», где он в составе комплекса разработок Томского государственного университета был отмечен Золотой медалью. Развитие предложенных методов и алгоритмов легло в основу инновационного проекта по программе «УМНИК».

Апробация результатов

Основные положения и результаты диссертационной работы были опубликованы в виде 9 статей, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: 5-й Конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора (Томск, 2008 г.); 3-й Международной научно-практическая конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-2010» (Томск, 2010 г.); 1-й научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2010 г.); 3-й научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием (Томск, 2012 г.); 4-й Международной научно-практической конфе-

ренции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-2012» (Томск, 2012 г.).

Личный вклад автора

Совместно с научным руководителем работы д.ф.-м.н. профессором В.П. Якубовым был определён план диссертационной работы, обсуждались и анализировались результаты исследований. Автором, совместно с сотрудниками кафедры обсуждались и разрабатывались варианты конфигурации макетов радиоволновых сканеров. Автор самостоятельно проводил монтаж датчиков решётки, элементов блока усилителей и фильтров, доводил макет до работоспособного состояния, оптимизировал его конструкцию. Самостоятельно проводил испытания сканера и ставил все представленные в работе эксперименты. Автором разработано программное обеспечение для синхронного сбора данных с АЦП устройства и системы ЗО позиционирования для последующей томографической обработки экспериментальных данных. Значительную помощь в организации работ, конструировании и обработке результатов экспериментов, оказали следующие сотрудники кафедры радиофизики: к.ф.-м.н. Шипилов С.Э., аспирант Кузьменко И.Ю.,-аспирант Муксунов Т.Р., Швадленко П.Ф. Постоянное обсуждение с ними состояния исследований способствовало успешному завершению работ. Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем упомянутым выше лицам, а также всему профессорско-преподавательскому составу кафедры радиофизики за поддержку и помощь в выполнении работы.

Публикации

.. , По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, "из них 4 — в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит: страниц - 92, рисунков - 44, таблиц - 1. Список литературы - 97 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и задачи исследования, приведены защищаемые положения, показана научная новизна, отмечается практическая значимость и достоверность полученных результатов, личный вклад, описана структура работы.

В первой главе проведён обзор существующих систем непосредственно применяемых в мире для досмотра граждан в местах их массового скопления. Рассмотрены системы бесконтактного досмотра, такие как рентгеновские интроскопы и металлодетекторы, также радиоволновые системы досмотра и системы пассивного радиовидения. Выявлены основные достоинства и недостатки этих систем, проведен сравнительный анализ и на его основе сделан вывод о необходимости создания нового устройства, объединяющего основные достоинства существующих систем в единой конструкции.

Во второй главе рассматривается принцип работы микроволнового доплеровского датчика, в соответствии с его внутренней схематикой проводится математический расчет выходного сигнала датчика. В смесителе датчика происходит перемножение опорного и принятого сигналов, затем выделяется сигнал с частотой доплеровского сдвига. После прохождения через дифференцирующую цепочку, выходной сигнал имеет следующий вид:

= — = ■-■- А А 5 Ш (кг + р) = --—А, Б (0, Ж 2 Ж ' 2 Ж ^

где к = 2л//с — волновое число, Ум - скорость движения датчика относительно отражающего объекта, г(!) = У^г.— расстояние пройденное датчиком за время (.

Множитель — становится либо положительным, либо отрица-Ж

тельным, в зависимости от того, в прямом или в обратном направлении движется датчик, как правило, сигналы отраженные от одного и того же объекта схожи, но находятся в противофазе. Последнее обстоятельство важно для интерпретации результатов измерений.

При постоянной скорости перемещений выражение, описывающее выходной сигнал МДД, с точностью до постоянного множителя совпадает с квадратурной составляющей принимаемого сигнала

= Л$1п(/сг + <рХ

которая несет на себе информацию как об амплитуде, так и о фазе сигнала. Из этого следует первое защищаемое положение.

Далее проводится исследование проникающей способности излучения МДД для различных материалов, встречающихся на теле человека или его багаже. Делается описание экспериментальной установки и описываются условия сбора данных, приводятся фрагменты записанных сигналов.

Исходя из условий проведения экспериментов, проводится расчет проникающей способности для различных материалов. С учетом двукратного ослабления излучения слоем материала, получаем, что корень отношения максимального значения амплитуды аналитического сигнала исследуемого материала max(Z„) к максимальному значению амплитуды аналитического сигнала металлической пластины таx(ZMe), даёт значение коэффициента прохождения на частоте 24 ГГц:

w = /™x(ZJ

В результате, минимальный коэффициент прохождения (передачи), для книги толщиной 2.7 см, имеет значение \¥и = 0,7. Коэффициент прохождения для остальных исследуемых материалов близок к единице. Делается вывод, что в обычных условиях одежда не является серьезной преградой для выбранной в экспериментах частоты 24 ГГц.

В третьей главе проводится описание метода синтезирования, а точнее имитационное моделирование с целью получить отклик на точечную неоднородность, который представляет собой аппаратную функции системы (АФС) в методе согласованной пространственной фильтрации.

Поясним модель формирования АФС. Если локационная система перемещается со скоростью V вдоль оси Оу на некоторой фиксированной высоте Н (рисунок 1а), а точечный отражатель находится в точке с координатами г0 = (х0,у0,0), то принятый в точке наблюдения в момент времени г сигнал записывается как

ехр\ш Г(* - л:, )2 + ( V, - Уо )2 + Я21:)

4 (*.') = ,-;-Т±Л, (1)

[(*-*„)'+(И-Л)2+Я'] где с - диаграмма направленности антенны, А^ - коэффициент отражения, к = 1п //с - волновое число для излучения с центральной частотой / .

Параметр х здесь соответствует поперечной к направлению движения координате антенной системы, т.е. положению СВЧ датчика в антенной решетке. Направление сканирования показано стрелкой на рисунке 1а. Рассчитанная так функция Еа(х,г) может быть интерпретирована как АФС. На рисунке 16 показан вид функции 11е{.Е0 (я,?)} для то-

чечного отражателя г0 =(0,0,0) при локационном сканировании решеткой СВЧ датчиков.

Рисунок 1 - Схема имитационного моделирования (а) и вид рассчитанной АФС (б)

Далее проводится моделирование на подобии реально проведенного эксперимента с тестовой картиной из четырех неоднородностей в виде одного металлического стержня и трёх шариков (рисунок 2а).

а б в

Рисунок 2 - Результаты имитационного моделирования:

а - исходная сцена из 4-х неоднородностей, б — решение прямой задачи, в - решение обратной задачи

На рисунке 26 показано решение прямой задачи - расчет радиолокационной картины для выбранной сцены неоднородностей. Отчетливо наблюдается явление интерференции сигналов приходящих от всех 4-х объектов: в верхней части картины видны следы отражений от стержня, а ниже - следы точечных неоднородностей. Важно, что при расчете учтено влияние диаграммы направленности СВЧ датчиков. Это проявляется в несимметрии распределения интенсивности отражений в верхней и нижней частях для точечных неоднородностей.

Обработка локационного сигнала £(*,/) -для случая сложной распределенной цели может быть проведена с использованием технологии радиолокации с синтезированной апертурой (РСА), согласно которой достаточно выполнить обратную компьютерную фокусировку принятого излучения или, что равнозначно, провести двумерную согласованную фильтрацию с использованием АФС. Эта операция выполняется с использованием операции двумерной свертки с комплексно сопряженной АФС:

Щх,у = УО = Е(х,г) * Е'0(х, О • (2)

На рисунке 2в показан вид получающейся в результате функции . Видно, что все отражатели достаточно хорошо локализуются

именно там, где они были изначально заданы. Причина достигнутого эффекта простая - РСА-технология обеспечивает фокусировку излучения с большой апертурой, равной размеру области сканирования, точнее, размеру пятна, которое засвечивается диаграммой направленности на зондируемой поверхности. Возникает типичная ситуация -чем шире диаграмма направленности, тем более размыто исходное локационное изображение, но тем лучше разрешение при использовании РСА-технологии для его обработки.

С целью проверки разрешающей способности описанного метода синтезирования, проводится эксперимент, с помощью специально собранной установки, основой которой является высокоточный инкре-ментный энкодер, а тестовым объектом - линейка. Применяя описанный алгоритм обработки сигнала, было получено одномерное радио изображение линейки (рисунок 3).

Исходя из полученного результата, сделан вывод о предполагаемой разрешающей способность излучения датчиков антенной решетки и возможности визуализации достаточно мелких предметов с размерами вплоть до 1-2 см.

Рисунок 3 - Одномерное радиоизображецие линейки

В четвертой главе описываются этапы развития (оптимизации) конструкции радиоволнового сканера, приведены основные проблемы, с которыми пришлось столкнуться в ходе работы. Приведена принципиальная схема предварительной обработки сигнала, которая позволила существенно увеличить чувствительность датчиков решетки и уменьшить уровень помех. Пример окончательного варианта тестовой конструкции макета радиоволнового сканера, в виде двух рядов датчиков, показан на рисунке 4.

Ж

'А шазш^ ю; шшм.-ЯШ.

ш ./ вн.; «в ««а ; ш . ш«в ; т. ек с-.'.се . е?э ч,л

№

Рисунок 4 - Решетка из двух рядов приемо-передающих датчиков

На рисунке 5 показана задействованная в экспериментах система ЗО позиционирования сканера. Далее описан метод расчёта траектории движения каждого датчика решетки в отдельности, исходя из шести регистрируемых координат приемника позиционера прикрепленного на корпусе сканера.

Приведена тестовая сцена из четырех неоднородностей (одного металлического стержня и трёх шариков, рисунок 6а) и показан результат натурного эксперимента - радиоволновая голограмма тестовой сцены и сделан вывод о втором защищаемом положении (рисунок 66).

Приёмник позиционера

Рисунок 5 — Угловые повороты линейной решетки СВЧ датчиков

__!

Решетка СВЧ датчиков

Объекты

а б

Рисунок 6 - Условия проведения экспериментальных исследований: а - тестовая сцена объектов, б - волновая проекция тестовой сцены

Полученная радиоволновая голограмма может быть использована для восстановления аппаратной функции системы (АФС). В качестве АФС может быть взято одно из сечений полученной картины, соответствующее отклику на точечный объект. В качестве такового был взят центральный шарик.

Пример соответствующего сечения полученной картины показан кривой 1 на рисунке 7а. Первая часть этой кривой (при меньших значениях у) относится к отклику на центральный шарик тестовой сцены, а вторая часть (при больших значениях у) относиться к отклику на металлический стержень.

у. см

ШШШШШШЯШШШШ&Ш1

1

шЯШВИШшш

' '"Г., '.■" • . . ' ;

Рисунок 7 — К восстановлению аппаратной функции (АФ): а - распределение сигнала центрального датчика вдоль оси У (1 - результат измерений, 2 - расчет АФ); б - восстановленная двумерная АФ

Приведенное сечение, точнее говоря, фрагмент, относящийся к° центральному шарику тестовой сцены, мы интерпретируем как сечение АФС. Сопоставляя этот фрагмент с функцией (1) можно восстановить идеальный вид АФС. Полученная так идеальная АФ имеет сечение, показанное кривой 2 на рисунке 7а. Двумерный вид самой АФ (вещественная часть) показан на рисунке 76. Заметим, что восстановленная АФ системы подобна АФ, приведенной на рисунке 16 при численном моделировании.

Найденная АФС реальной системы позволяет по формуле (2) восстановить распределение неоднородностей тестовой сцены. Только в

данном случае под Е(х,у) понимается редуцированные экспериментальные данные. Результат восстановления распределения неоднород-ностей тестовой сцены приведен на рисунке 8а. Была использована сплайн интерполяция для повышения числа точек в поперечном сечении с 16 до 64, т.е. в 4 раза. Без использования интерполяции повышение поперечного разрешения можно было бы достигнуть путем уменьшения шага следования СВЧ датчиков. Далее делается вывод о третьем защищаемом положении.

Следующим этапом развития теории сканера, является попытка избавиться от использования системы ЗВ позиционирования, но с учетом равномерного движения сканера. Постоянная средняя скорость позволяет пересчитать временную развертку в координатную развертку вдоль направления движения решетки СВЧ датчиков. Далее достаточно применить процедуру томосинтеза с найденной АФ. Результат показал хорошее восстановление изображения неоднородностей в области, где скорость перемещения сканера была приблизительно равномерной. В этой области разрешение ухудшается до 2-3 см, но особенно хуже в области неравномерности движения (рисунок 86). Этот вывод вошел в четвертое защищаемое положение.

а б

Рисунок 8 — Восстановленное изображение тестовой сцены: а - с координатной привязкой, б - без координатной привязки

В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы:

1. Проведен сравнительный анализ существующих средств досмотра» граждан и их багажа. Основные достоинства и недостатка наиболее популярных средств досмотра позволили определить критерии построения для нового прибора досмотра граждан. Так основными критериями стали: безопасность, скорость досмотра, простота использования и качество определения скрытых объектов. Сформулирована задача создания ручного радиоволнового сканера.

2. Теоретически и экспериментально продемонстрирована пригодность типовых микроволновых датчиков движения в качестве приемопередающих радиомодулей для построения антенной решётки.

3. Теоретически обоснованно применения метода синтезирования апертуры для обработки сигнала, получаемого от множества датчиков, распределенного по координатной сетке. Результатом моделирования стало улучшенное качество изображения.

4. Показаны этапы оптимизации действующего макета сканера. При этом каждый последующий вариант устраняет недостатки предыдущего макета. Результатом стал макет с встроенным блоком усилителей и фильтром сигнала. Это позволило увеличить отношение сигнал-шум на выходе датчиков решетки.

5. Проведен поиск наиболее подходящей системы слежения для определения координат сканера в пространстве, в результате чего предложено использовать один из наиболее точных магнитных позиционеров зарубежного производства.

6. Написано программное обеспечение, позволяющее синхронизировать данные с АЦП и позиционирующего устройства.

7. Разработан алгоритм, позволяющий из данных позиционера-рассчитывать координаты всех датчиков антенной решётки.

8. Проведен эксперимент и применен алгоритм для обработки полученных данных, основанный на методе синтезирования апертуры. Получено качественное изображение тестовых объектов с точностью до 1 см. Продемонстрирована пригодность данного метода для обработки сигнала от множества МДЦ.

9. Предпринята попытка упрощения математического обеспечения радиосканера, в результате чего был сделан вывод о возможности построения изображения без использования позиционирующего устройства. В этом случае обязательным условием остается равномерность движения антенной решетки, т.е. движение с постоянной скоростью и неизменным углом наклона сканера. Точность удалось сохранить око-

ло 2-3 см. Обработка эксперимента, подтвердила данное предположение.

Сделан вывод о инновационное™ и перспективности предложенного метода проведения сканирования.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Федянин И.С., Якубов BJL, Швадленко П.Ф. Использование допле-ровских датчиков для локационной томографии скрытых объектов // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, С. 92-93.

2. „Федянин И.С., Якубов В.П., Шипилов С.Э., Клоков A.B. Радиотомо-

графия по неполным данным // Контроль. Диагностика, 2011, JVa 11, С. 51-54.

3. Федянин И.С., Кузменко И.Ю., Муксунов Т.Р., Якубов В.П., Шипилов С.Э., Козлов A.B. Система радиовидения на основе решетки микроволновых датчиков //Контроль. Диагностика, 2012. С. 141-145.

4. Федянин И.С., Кузьменко И.Ю., Шипилов С.Э., Якубов В.П; Радиовидение с использованием микроволновых доплеровских датчиков. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012, т. 55, № 9, - С. 220-221.

Статьи в сборниках статей и трудов конференций

5. Федянин И.С., Швадленко П.Ф. Доплеровская радиотомография скрытых объектов // Сб. материалов I Научно-практической конференции, посвященной 50-летию кафедры «Информационно-измерительная техника», Национального исследовательского Томского политехнического'университета! —Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010.-С. 89-90.

6. Федянин И.С., Швадленко П.Ф. Метод синтезирования в задаче радиовидения скрытых объектов // Сб. материалов I Научно-практической конференции, посвященной 50-летию кафедры «Информационно-измерительная техника», Национального исследовательского Томского политехнического университета. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - С. 93-94.

7. Федянин И.С., Якубов В.П., Шипилов С.Э., Клоков A.B. Радиотомография по выборочным данным// Сборник научных трудов I Всероссийской научно-практической конференции по Инновациям в нераз-

рушающем контроле с международным участием «Инновации в нераз-рушающем контроле SibTest» / под ред. В.А.Клименова; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнический университет, 2011 г. — с. 144-147.

8. Федянин И.С., Кузьменко И.Ю., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Радиовидение с использованием микроволновых доплеровских датчиков // Сборник материалов III Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» Томск: Изд-во Том-ского-политехнический университет, 2011 г. — с.106-110.

9. Федянин И.С., Клоков A.B. Доплеровский метод измерения диэлектрической проницаемости влажных материалов // Труды 5-й конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора — Томск: Изд-во Томского государственного университета, 2008. С. 62.

Отпечатано на участке оперативной полиграфии редакционно-издательского отдела ТГУ

Заказ

экз.

Введение

Глава 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ДОСМОТРОВЫХ СИСТЕМ.

1.1. Бесконтактные средства досмотра.

1.2. Радиоволновые средства досмотра.

1.3. Системы пассивного радиовидения.

Глава 2. МИКРОВОЛНОВЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ДАТЧИК.

2.1. Описание и принцип работы датчика.

2.2. Проникающая способность излучения датчика.

Глава 3. МЕТОД ТОМОСИНТЕЗА.

3.1. Описание метода синтезирования с использованием эффекта Доплера.

3.2. Оценка разрешающей способности метода синтезирования.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ С КОНТРОЛИРУЕМЫМ СКАНИРОВАНИЕМ.

4.1. Основные элементы экспериментальной установки.

4.2. Система позиционирования элементов решетки.

4.3. Координаты датчиков решётки.

4.4. Радиоволновая голограмма тестовой сцены.

4.5. Аппаратная функция системы.

4.6. Восстановление изображения объектов тестовой сцены.

4.7. Восстановление изображения без координатной привязки.

Актуальность

Глобализация современного мира приводит к тому, что пассажирооборот между городами и странами неуклонно растет. По данным интернета, статистика перевозок пассажиров говорит о том, что за последние пять лет общий объем пассажирооборота, только в России, увеличился с 473,3 до 483,9 млрд. пассажиро-километров, причем в основном за счет воздушного транспорта. Это означает постоянное увеличение нагрузки на аэропорты, а следовательно, на обслуживающий персонал и службы безопасности. Растет население крупных городов, и основная нагрузка по перевозу местных жителей ложится на городской транспорт, в частности метро. Печально известные события, связанные с терактами в аэропортах и станциях метро, демонстрируют несовершенство современных средств досмотра пассажиров. Проведение массовых мероприятий, по типу олимпийских игр, концертов, футбольных матчей собирает огромное количество людей со всего мира и, очевидно, такие мероприятия должны проводиться максимально безопасно для желающих их посетить. Поэтому основной задачей для служб безопасности является своевременное выявление граждан с представляющими потенциальную угрозу намерениями, обнаружение и визуализация опасных предметов, в частности, скрытых под одеждой, в ручной клади или в багаже.

Очень важно при этом обеспечить быстрый и бесконтактный досмотр, не создавая паники и не задерживая людей. Современные службы безопасности для поиска опасных предметов, чаще всего, используют стационарные рамки металлодетекторов или ручные металлодетекторы, которые имеют ограниченный спектр применений — они эффективны только для обнаружения металлических предметов и не могут показать форму этих предметов. Наиболее достоверную информацию о скрытых предметах дает рентгеновская интроскопия. Однако используют интроскопы в основном для досмотра багажа, так как рентгеновское излучение потенциально опасно для человека и живых организмов. Радиоволновые томографы миллиметрового диапазона длин волн призваны восполнить существующий пробел в системах контроля. Сейчас эти устройства начинают широко применяться в крупных аэропортах и других общественно значимых местах. Однако такие устройства остаются пока достаточного громоздкими и дорогостоящими, так что покупать их могут очень крупные компании.

В общем, можно резюмировать, что у современных служб безопасности нет доступного, с точки зрения финансов, и универсального прибора для быстрого досмотра граждан. Очевидно, прибор должен иметь габариты ручного металлодетектора, быть безвредным для окружающих и способный выводить легко читаемое изображение, т.е. работать в миллиметровом диапазоне длин волн. В данной диссертационной работе проводится попытка реализовать прототип такого устройства, которое было бы способно без вреда для человека бесконтактно «заглянуть» под его одежду с помощью радиоволн. При этом исключается применение дорогостоящей элементной базы, значительно уменьшаются массогабаритные параметры, а быстродействие, наоборот, возрастает. Этот эффект достигается за счет объединения новой идеи реализации схемы сканирования и нового метода восстановления томографических изображений.

Цель работы

Данная работа имеет своей целью создание бесконтактной томографической системы радиовидения на основе объединения в линейную решетку микроволновых доплеровских датчиков (МДД) перемещений, использующей технологии синтезирования большой апертуры при произвольном, но контролируемом ручном перемещении решетки вблизи зондируемой сцены неоднородностей.

Задачи данного исследования

Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Определение необходимых требований для создания ручного радиоволнового сканера на основе сравнительного анализа существующих систем досмотра.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование применимости движущихся микроволновых датчиков перемещений для измерения квадратурных составляющих сигнала от неподвижного объекта.

3. Разработка методики и алгоритма обработки радиолокационного сигнала, распределенного на равномерной координатной сетке, основываясь на методе синтезирования, тестирование алгоритма на численной модели.

4. Поиск возможностей отслеживания пространственных координат центра радиоволнового сканера и разработка алгоритма для получения координат всех датчиков антенной решетки при произвольном движении сканера.

5. Построение и испытание действующего макета радиоволнового сканера в связке с системой слежения за его пространственными координатами, используя специально разработанное для этого программное обеспечение.

6. Применение алгоритма обработки сигнала к экспериментальным данным, полученным с помощью разработанного макета радиоволнового сканера. Восстановление изображения тестовых сцен объектов.

7. Разработка метода восстановления изображения тестовых объектов без использования полного отслеживания пространственных координат датчиков решетки.

Методы исследования

Работа основана на получении и обработке данных реальных экспериментов, проведенных на кафедре радиофизики радиофизического факультета Томского государственного университета. В качестве инструмента для проведения экспериментальных исследований использовался собранный автором макет ручного радиоволнового сканера, состоящий из решётки приёмо-передающих допплеровских датчиков движения, работающих на частоте 24 ГГц, и встроенного магнитного устройства слежения Тайваньской фирмы VR-SPACE INC. Сигнал с микроволновых доплеровских датчиков (МДД) записывался с помощью 14-битового 32-канального АЦП с общей частотой дискретизации 100 кГц. Для синхронного сбора данных с АЦП радиоволнового сканера и системы слежения использовалось специально разработанное программное обеспечение. При обработке данных были использованы известные методы статистической радиофизики для обработки нестационарных сигналов (теория аналитического сигнала и согласованная фильтрация), а также элементы теории антенн и синтезирования больших апертур с фокусировкой излучения. Автоматическая регистрация данных производилась с помощью программы, написанной на языке программирования Delphi, на нем же производилась первичная обработка данных. Последующая томографическая обработка данных производилась с использованием математического пакета MathCad.

Защищаемые положения

1. Одна из квадратурных составляющих сигналов, отраженных от неподвижных сосредоточенных целей или контуров распределенных целей, находится дифференцированием выходного сигнала типового микроволнового доплеровского датчика мощностью 40 мВт и работающего на частоте 24 ГГц, при перемещении его с постоянной скоростью.

2. Дополненная магнитным ЗЭ-позиционером линейная решетка из микроволновых доплеровских датчиков, при ручном её перемещении позволяет с использованием алгоритмов интерполяции трёхмерных координат восстанавливать эквидистантную двумерную радиоголограмму сканируемой сцены неоднородностей.

3. Для построения радиоизображения сканируемой сцены неоднородностей по её эквидистантно измеренной (восстановленной) радиоголограмме достаточно выполнить томосинтез методом согласованной пространственной фильтрации с использованием в качестве опорного сигнала измеренной или вычисленной двумерной аппаратной функции системы.

4. Радиоизображение скрытых неоднородностей, полученное без использования координатных данных ЗЭ-позиционера в области равномерного и прямолинейного относительного движения линейной решетки из доплеровских датчиков, восстанавливается методом согласованной пространственной фильтрации с использованием в качестве опорного сигнала измеренной или вычисленной двумерной аппаратной функции системы.

Достоверность и обоснованность результатов работы

Достоверность первого защищаемого положения подтверждается тем, что результаты обработки лабораторных экспериментальных данных при изменении направления движения совпадают между собой с точностью до знака при одном и том же абсолютном значении скорости движения МДД. Наблюдаемое отличие не превышает уровня шумов, т.е. не более чем на 3%.

Достоверность второго защищаемого положения основывается на том, что экспериментально полученная радиоголографическая картина тестовой сцены неоднородностей после интерполяции на равномерную сетку с учетом данных ЗЭ-позиционера отличается от соответствующей картины, численно рассчитанной, не более чем на половину шага расположения антенных элементов, т.е. не более 1 см.

Правомерность третьего защищаемого положения подтверждается результатами восстановления изображения заданной сцены неоднородностей после применения алгоритма томосинтеза к данным как численного, так и натурного экспериментов. Экспериментально подтверждено, что на частоте

24 ГГц обеспечивается совпадение формы и взаимное расположение тестовых объектов с точностью до 1-2 см, что близко к потенциально достижимой точности, определяемой рабочей длиной волны 1,25 см.

Достоверность четвертого защищаемого положения основывается на выводе, сделанном в результате обработки экспериментальных данных без использования данных системы ЗО позиционирования. На участке равномерного движения антенной решетки над тестовой сценой неоднородностей их восстановленное изображение имеет разрешающую способность на уровне 2-3 см.

Научная новизна

1. Впервые микроволновые датчики движения, предназначенные для охранных систем и энергосбережения, предложено использовать в качестве приемо-передающих элементов антенной решётки для синтезирования большой апертуры.

2. Предложено конструктивное решение расположения МДД в действующем макете портативного ручного радиоволнового сканера для поиска и томографии скрытых объектов, позволяющее увеличить разрешающую способность в поперечном и продольном направлении сканирования не хуже рабочей длины волны.

3. Теоретически и экспериментально обоснован новый способ получения радиоголограмы и восстановления изображения тестовой сцены неоднородностей на основе сканирования с помощью решётки МДД при её перемещениях, контролируемых с помощью ЗЭ позиционера.

4. Впервые алгоритм томосинтеза применен для восстановления изображения, полученного в результате неконтролируемого, но равномерного сканирования с помощью решётки ММД.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов

1. Результаты работы дают теоретическое обоснование для создания ручного радиоволнового сканера ближнего радиуса действия с использованием доплеровских датчиков, способных обеспечивать пространственное разрешение скрытых объектов с точностью порядка рабочей длины волны.

2. Использование системного таймера точного времени для обработки данных ЗО магнитного позиционера позволяет осуществить с точностью до 3 мс взаимную привязку координатных и радиоволновых измерений и на этой основе произвести интерполяцию неэквидистантных данных на равномерную прямоугольную сетку, что важно для использования быстрых алгоритмов томосинтеза.

3. Использование линейной эквидистантой решетки из МДД совместно с ЗО позиционером и алгоритмов интерполяции дает новый метод измерения эквидистантной радиоголограммы при произвольном (ручном) перемещении решетки доплеровских датчиков вблизи исследуемой сцены скрытых объектов.

4. В случае обеспечения достаточно равномерного и прямолинейного движения решетки МДД радиоизображение удовлетворительного качества (на уровне рабочей длины волны) может быть получено без использования точной координатной привязки, что позволяет упростить математическую обработку данных.

Практическая значимость

1. Предложенный и реализованный действующий макет ручного радиоволнового сканера на основе решетки из типовых микроволновых датчиков движения, представляет собой портативное устройство и позволяет производить поиск скрытых под одеждой и в ручной клади малоразмерных объектов без вреда для человека, при этом получать изображение деталей формы объектов, соизмеримых с рабочей длиной волны.

2. Предложенный способ компоновки элементов антенной решётки увеличивает заполняемость апертуры в поперечном направлении и позволяет повысить разрешающую способность системы в целом, не хуже рабочей длины волны.

3. На основе процедуры преобразования декартовых и угловых координат датчика позиционера получен способ непрерывного контроля пространственных координат для каждого элемента антенной решетки датчиков, относительно произвольно движущейся над областью сканирования и реализовать метод томосинтеза с заявленной точностью восстановления тестовой сцены неоднородностей.

4. При обеспечении относительной равномерности сканирования алгоритм восстановления радиоизображения неоднородностей томосинтезом может быть применен без использования координатной привязки данных, что, в конечном итоге, позволяет удешевить предлагаемое устройство при сохранении приемлемого качества изображения.

Использование и внедрение результатов работы

Все результаты работы были использованы при выполнении следующих проектов министерства науки и образования:

- «Физико-математическая модель радиотомографа», АВЦП № 2.1.2/3339. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки. (2009-2010), рук. Якубов В.П.

- «Радиолокационная томография удаленных объектов за диэлектрическими преградами», ФЦП, мероприятие 1.2.2. Контракт № П452, область знаний «Радиофизика, акустика и электроника», (20092011), рук. Шипилов С.Э.;

- «Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры», Государственный контракт № 14.740.11.0076 на выполнение научно-исследовательских работ «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области радиофизики, акустики и электроники» по теме: (2010-2012), рук. Якубов В.П.;

- «Разработка локационной аппаратуры радиочастотного диапазона для выявления возможно скрытых на теле человека средств терроризма», Хоздоговор с МИРЭА, номер госрегистрации темы (РК): 01201068006, (2010), рук. Якубов В.П.;

- «Исследование возможности создания томографической системы с использованием электромагнитного и ультразвукового излучения для обнаружения скрытых объектов», Хоздоговор с ИПХЭТ, по контракту от 03 сентября 2010 г. № 09-3-10. Шифр «Штора-1» как составной части Государственного контракта № 158/2010-620к от 19.07.2010 г. (2010-2011), рук. Якубов В.П.;

- «Фокусировка волновых проекций неоднородных сред в сверхширокополосной радиотомографии скрытых объектов», ЕЗН, Федеральное агентство по образованию, (2009-2011), рук. Якубов В.П.;

- «Радиоволновой томосинтез неоднородных сред и объектов», ЕЗН, Федеральное агентство по образованию, (2012-2014), рук. Якубов В.П.;

- «Ручной радиоволновой сканер для поиска скрытых объектов», Инновационный проект по молодежной программе «УМНИК», (20122013), рук. Федянин И.С.; а также в учебном процессе при постановке лабораторных работ в магистерском курсе по радиоволновой томографии по направлению «Радиофизика». Образец ручного радиосканера был представлен на международной выставке «ИНТЕРПОЛИТЕХ-2011», где он в составе комплекса разработок Томского государственного университета был отмечен Золотой медалью. Развитие предложенных методов и алгоритмов легло в основу выполняемого в настоящее время инновационного проекта по программе «УМНИК».

Апробация результатов

Основные положения и результаты диссертационной работы были опубликованы в виде 9 статей, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: 5-й Конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора (Томск, 2008 г.); 3-й Международной научно-практическая конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-2010» (Томск, 2010 г.); 1-й научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» (Томск, 2010 г.); 3-й научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием (Томск, 2012 г.); 4-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР-2012» (Томск, 2012 г.).

Личный вклад автора

Совместно с научным руководителем работы д.ф.-м.н. профессором В.П. Якубовым был определён план диссертационной работы, обсуждались и анализировались результаты исследований. Автором, совместно с сотрудниками кафедры, обсуждались и разрабатывались варианты конфигурации макетов радиоволновых сканеров. Автор самостоятельно проводил монтаж датчиков решётки, элементов блока усилителей и фильтров, доводил макет до работоспособного состояния, оптимизировал его конструкцию. Самостоятельно проводил испытания сканера и ставил все представленные в работе эксперименты. Автором разработано программное обеспечение для синхронного сбора данных с АЦП устройства и системы ЗО позиционирования для последующей томографической обработки экспериментальных данных. Значительную помощь в организации работ, конструировании и обработке результатов экспериментов оказали следующие сотрудники кафедры радиофизики: к.ф.-м.н. Шипилов С.Э., аспирант Кузьменко И.Ю., аспирант Муксунов Т.Р., Швадленко П.Ф. Постоянное обсуждение с ними состояния исследований способствовало успешному завершению работ. Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем упомянутым выше лицам, а также всему профессорско-преподавательскому составу кафедры радиофизики ТГУ и отделения радиофизики и радиоэлектроники СФТИ ТГУ за поддержку и помощь в выполнении работы.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ [1-9], из них 4 - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертации.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит: страниц - 92, рисунков - 44, таблиц - 1. Список литературы - 97 наименований.

Заключение

Проведенное исследование направленно на разработку нового способа проведения досмотра граждан и поиска объектов, скрытых под одеждой или в ручной клади. Предлагаемый подход основан на анализе существующих методов досмотра и развитии известных методов доплеровской радиолокации и технологии РСА применительно к использованию простого и доступного МДД с рабочей частотой 24 ГГц. В работе предлагается простая бесконтактная томографическая система радиовидения с использованием объединенных в линейную решетку МДД. Такой подход является новым и предлагается, судя по проведенному обзору, впервые.

В ходе исследования получены следующие результаты:

1. Проведен сравнительный анализ существующих средств досмотра граждан и их багажа. Основные достоинства и недостатки наиболее популярных средств досмотра позволили определить критерии построения нового прибора досмотра граждан. Так основными критериями стали: безопасность, скорость досмотра, простота использования и качество определения скрытых объектов. Сформулирована задача создания ручного радиоволнового сканера.

2. Теоретически и экспериментально продемонстрирована пригодность типовых микроволновых датчиков движения в качестве приёмо-передающих радиомодулей для построения антенной решётки.

3. Теоретически обосновано применение метода синтезирования апертуры для обработки сигнала, получаемого от множества датчиков, распределенного по координатной сетке. Результатом моделирования стало улучшенное качество изображения.

4. Показаны этапы оптимизации действующего макета сканера. При этом каждый последующий вариант устраняет недостатки предыдущего макета.

Результатом стал макет с встроенным блоком усилителей и фильтром сигнала. Это позволило увеличить отношение сигнал-шум на выходе датчиков решетки более чем в 10 раз.

5. Проведен поиск наиболее подходящей системы слежения для определения координат сканера в пространстве, в результате чего предложено использовать один из наиболее точных магнитных позиционеров зарубежного производства.

6. Написано программное обеспечение, позволяющее синхронизировать данные с АЦП и позиционирующего устройства.

7. Разработан алгоритм, позволяющий из данных позиционера рассчитывать координаты всех датчиков антенной решётки.

8. Проведен эксперимент и применен алгоритм томосинтеза для обработки полученных данных, основанный на методе синтезирования апертуры. Получено качественное изображение тестовых объектов с точностью до 1 см. Продемонстрирована пригодность данного метода для обработки сигнала от множества МДД.

9. Показана возможность упрощения математического обеспечения радиосканера, в результате чего был сделан вывод о возможности построения изображения без использования позиционирующего устройства. В этом случае обязательным условием остается равномерность движения антенной решетки, т.е. движение с постоянной скоростью и неизменным углом наклона сканера. Точность удалось сохранить около 2-3 см. Обработка данных эксперимента подтвердила данный вывод.

10. Сделан вывод о инновационности и перспективности предложенного метода проведения сканирования.

В целом можно отметить перспективность данной разработки -проведенное теоретическое и экспериментальное исследования подтвердили это. Разработанный макет ручного радиоволнового сканера представляет собой один из вариантов практической реализации метода.

1. Федянин И.С., Якубов В.П., Швадленко П.Ф. Использование доплеровских датчиков для локационной томографии скрытых объектов // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, С. 92-93.

2. Федянин И.С., Якубов В.П., Шипилов С.Э., Клоков A.B. Радиотомография по неполным данным // Контроль. Диагностика, 2011, № 11, С. 51-54.

3. Федянин И.С., Кузменко И.Ю., Муксунов Т.Р., Якубов В.П., Шипилов С.Э., Козлов A.B. Система радиовидения на основе решетки микроволновых датчиков // Контроль. Диагностика, 2012. С. 141-145.

4. Федянин И.С., Кузьменко И.Ю., Шипилов С.Э., Якубов В.П. Радиовидение с использованием микроволновых доплеровских датчиков. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012, т.55, №9,-С. 220-221.

5. Федянин И.С., Клоков A.B. Доплеровский метод измерения диэлектрической проницаемости влажных материалов // Труды 5-й конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора -Томск: Изд-во Томского государственного университета, 2008. С. 62.

6. Yakubov V.P., Omar A.S., Sukhanov D.Y., Kutov V.P., Spiliotis N.G. New Fast SAR Method for 3-D Subsurface Radiotomography // Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. — P. 103-106.

7. Суханов Д.Я., Якубов В.П. Метод наклонной фокусировки в подповерхностной радиолокации // Журн. техн. физики. — 2006. Т. 76. № 7. — С. 64-68.

8. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Цепелев Г.М., Клоков A.B., Моисеенко H.A., Новик С.Н., Суханов Д.Я., Якубова О.В. Радиоволновая томография неоднородных сред. — Изв. вузов. Физика. — 2006, № 9. С. 20-24.

9. Якубов В.П., Склярчик К.Г., Пинчук Р.В., Суханов Д.Я. Радиоволновая томография скрытых объектов для систем безопасности // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008, № 10. Томск: ТГУ, - С. 5360.

10. Пирогов Ю.А. Пассивное радиовидение в миллиметровом диапазоне длин волн // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2003, т. 46, №8-9, с.660-670.

11. Справочник по радиолокации. По ред. М.Скольника. Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. (в четырех томах) / под. Общей ред. К.Н.Трофимова. М.: Сов. Радио, 1978.

12. Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов: второе издание. Пер. с англ. М.: ООО «Бином-пресс», 2006. - 656 с.

13. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я. Микроволновая томография радионепрозрачных объектов // Дефектоскопия, 2011, № 11, С. 62-68.

14. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Сатаров Р.Н. Сверхширокополосная томография движущихся объектов за диэлектрическими преградами // Контроль. Диагностика. 2011. Специальный выпуск. С. 89-91.

15. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я., Разинкевич А.К. Сверхширокополосная томография удаленных объектов // Дефектоскопия, 2012, № 3, С. 59-65.

16. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Сатаров Р.Н. Сверхширокополосное зондирование за диэлектрическими преградами // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9, с. 10-16.

17. Резчиков Е.А., Ткаченко Ю.Л. Безопасность жизнедеятельности: Учебное пособие. М.: МГИУ, 2006. - 468 с.

18. Методические указания. Определение плотности потока мощности электромагнитного поля в местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот 700 мГц 30 гГц. МУК 4.3.043-96 от 02.02.96. Госкомсанэпиднадзор России, 1996.

19. Методические рекомендации "Расчетные методы, оценки уровней СВЧ электромагнитных излучений на радиотехнических объектах". М. Минобороны, 1987.

20. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986. - 304 с.

21. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Восстановление трехмерных радиоизображений по результатам многочастотных голографических измерений // Журнал технической физики, 2012, том 82, вып. 6. С.85-89.

22. Millimeter wave imaging system // US 006937182B2 United States Patent. Patent No.: US 6,937,182 B2, Aug. 30, 2005.

23. Якубов В.П., Славгородский С.А., Кутов В.П. Проблема фокусировки в радиоволновой томографии // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16, № 9. - С.811-815.

24. Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н., Мансуров В.В., Охонский А.Г., Сазонов H.A., Титов М.П., Толстой Е.Ф., Шаповалов A.B. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. М.: Радио и связь, 1988.- 304 С.

25. Fortuny-Guasch Joaquim. A Novel 3-D Subsurface Radar Imaging Technique // IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing. Vol. 40. No. 2, pp. 443-452, February 2002.

26. Радиовидение. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов /Под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: «Радиотехника», 2005. -368 с.

27. Пинчук Р., Якубов В.П., Суханов Д.Я., Антипов В.Б., Цыганок Ю.И., Манаков A.M. Пространственно-частотное синтезирование в микроволновой томографии // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, №9/2, с. 108-109.

28. Суханов Д.Я., Якубов В.П., Рубаненко A.C. Двумерное радиовидение с использованием доплеровского радиолокатора и линейного переизлучателя // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, с. 94-95.

29. Суханов Д.Я., Калашникова М.А. Бесконтактное ультразвуковое видение через границу раздела воздух плотная среда // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, с. 96-97.

30. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Трёхмерное широкополосное радиовидение на основе измерения амплитудного распределения интерференционной картины за дифракционной решёткой // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, с. 98-102.

31. Якубов В.П. Групповая фокусировка в 3D локационной томографии // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, с. 90-91.

32. Фленов М.Е. Библия Delphi. 3-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 688 с.

33. Сухарев М.В. Основы Delphi. Профессиональный подход. -СПб.: Наука и Техника, 2004. 600 с.

34. Ревич Ю.В. Нестандартные приемы программирования на Delphi. -СПб.: БХВ-Петербург, 2005 г. -560 с.

35. Корн Г.А., Корн Т.М. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: «Наука», 1974. — 832 с.

36. Multi-sensor surveillance portal // US 007180441B2 United States Patent. Patent no.: us 7,180,441 B2, Feb. 20, 2007.

37. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография. Сер. «Радиолокация» / Под ред. А.Ю. Гринёва. М.: Радиотехника, 2005.-416 с.

38. Головко М.М., Почанин Г.П. Применение преобразования Хо для автоматического обнаружения объектов на георадарном профиле // Электро-магнитные волны и электронные системы. Т.9, № 9-10, 2004. -С. 22-30.

39. Groenenboom J., Yarovoy A.G. Data processing for a landmine detection dedicated GPR //In Eighth Intl. Conference on Ground Penetrating Radar, 2000. -P. 367-371.

40. Paulter N. "Guide to the technologies of concealed weapon and contraband imaging and detection," NIJ Guide 602-00, 2001.

41. Smith G. "Bodysearch technology uses x-ray imaging to remove hazards and humiliation from personnel searches," IEEE. 29th Annual International Carnahan Conference on Security Technology., 1995.

42. Sheen D., McMakin D., and Hall Т., "Three-dimensional millimeter-wave imaging for concealed weapon detection," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 49, pp. 1581-1592, Sep 2001.

43. Goldsmith P.F., Hsieh C.-T., Huguenin G., Kapitzky J., and Moore E. "Focal plane image systems for millimeter wavelengths," IEEE Transitions on Microwave Theory and Techniques, vol. 41, pp. 1664-1675, Oct 1993.

44. Appleby R. "Passive millimetre-wave imaging and how it diers from terahertz imaging," Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 362, pp. 379 393, Feb. 2004.

45. McMillan R., Milton J., Hetzler M., Hyde R., and Owerns W. "Detection of concealed weapons using far-infrared bolometer arrays," Conference Digest. 25th International Conference on Infrared and Millimeter Waves., 2000.

46. Bjarnason J.E., Chan T. L. J., Lee A. W. M., Celis M. A., and Brown E. R., "Millimeter-wave, terahertz, and mid-infrared transmission through common clothing," Applied Physics Letters, vol. 85, pp. 519-521, Jul 2004.

47. Якубов В.П., Суханов Д.Я. Решение обратной задачи подповерхностной локации в приближении сильно преломляющей среды // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. Том L, № 4 2007.- с. 329-338.

48. Суханов Д.Я., Якубов В.П. Применение сигналов с линейной частотной модуляцией в трехмерной радиотомографии // Журнал технической физики, 2010, Т. 80, вып. 4.-С. 115-119.

49. Якубов В.П., Мироньчев А.С., Андрецов А.Г., Пономарева И.О. Искусственные метаматериалы и радиотомография // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9, с. 17-20.

50. Беличенко В.П., Якубов В.П., Запасной А.С. Конкурирующие интерференционные потоки энергии в комбинированных антеннах и их влияние на полосу пропускания и мощность излучения // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, с. 110-111.

51. Антипов В.Б., Манаков A.M., Суханов Д.Я., Цыганок Ю.И., Якубов В.П. Исследование квазиоптических функциональных узлов для терагерцового диапазона длин волн // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, №9/2, с. 147-148.

52. Антипов В.Б., Манаков А.Р., Суханов, Д.Я., Цыганок Ю.И., Якубов В.П. Исследование широкополосных приемо-передающих модулей для синтеза радиоизображений // Известия вузов, Физика, 2010, т. 53, № 9/2, с. 145-146.

53. Радиоастрономия. Джон Д. Краус. М.: «Советское радио», 1973. — 456 с.

54. Томпсон Р., Моран Дж., Свенсон Дж. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии. М.: Мир. 1989. - 568 с.

55. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. 4.2. Случайные поля. М.: Наука, 1978. - 464 с.

56. Бреховских, JI.M. Волны в слоистых средах. М.: АН СССР, 1957. — 504 с.

57. Ulaby F.T., MooreR.K., Fung A.K. Microwave remote sensing. London: Addison-Wesley Public. Сотр., 1981.

58. Poison A. Conductivity temperature relationship of diluted and concentrated standard sea water // IEEE J. of Ocean Eng. 1980. № 1. P 41.

59. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. Основы реконструктивной томографии. М: Мир, 1983.

60. Наттерер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии. М: Мир, 1990.

61. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я., Тимонов А.А. Математические задачи компьютерной томографии. М: Наука, 1987.

62. Лаврентьев М.М., Зеркаль С.М., Трофимов О.Е. Численное моделирование в томографии и условно-корректные задачи. Новосибирск: Изд-во ИДМИ НГУ, 1999.

63. С.К. Терновой, А.Б. Абдураимов, И.С. Федотенков Компьютерная томография. Издательство: ГЭОТАР-Медиа, 2008. 176 с.

64. Марусина М.Я., Казначеева А.О. Современные виды томографии: учебное пособие. СПб.: СПБГУ ИТМО, 2006. 132 с.

65. Goldstein. D. Н., R. A. Chipman Optical Polarization: Measurement, Analysis, and Remote Sensing // Proc. SPIE-3121. 1997.

66. Elachi C. Spaceborne Radar Remote Sensing: Applications and Techniques //IEEE Press. 1998.

67. Soumekh M. Reconnaissance with Ultra Wideband UHF Synthetic Aperture Radar // IEEE Signal Processing Magazine. 1995. - Vol. 12. - № 4. - pp. 21-40.

68. Яковлев О.И. Якубов В.П. Урядов В.П. и др.. Распространение радиоволн: учебник / Под ред. О.И. Яковлева М.: ЛЕНАНД, 2009. -496 с.

69. Якубов В.П., Славгородский С.А. Двойная фокусировка в томографии неоднородных сред. Магистерская диссертация. — Томск 2000.

70. Slaney М., Как А.С., Larsen L.E. Limitation of imaging with first order diffraction tomography. // IEEE transactions on microwave theory and techniques. - 1984. - Vol. 32. - №8. - pp. 860-873.

71. Ermert H., Fulle G., Hiller D. Microwave computerized tomography. Proceedings 11-th. European microwave conference. Amsterdam, 1981. -pp. 421 -426.

72. Еремин Ю.А., Ивахненко В.И., Рязанов M.B. Математические модели дифракционной томографии. // Радиотехника и электроника. 1998. -Т. 43.-№2.-С. 133-143.

73. Franchois A., Pichot С. Microwave imaging complex permittivity reconstruction with a Levenberg - Marquardt method. // IEEE transactions on antennas and propagation. - 1997. - Vol. 45. - №2. - pp. 203-215.

74. Справочник по радиолокации. Пер с англ. (в четырех томах) / под общей ред. К.Н. Трофимова. Том 4. М.: Сов. Радио, 1978. 376 с.

75. Papathanassiou K.P. and Cloude S.R., Single baseline polarimetric SAR interferometry. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. -2001.-vol. 39. -№ 11.-pp. 2352-2363.

76. Kugler F., Hajnsek I., Papathanassiou K.P., Hoekman D., "INDREXII -Indonesian Airborne Radar Experiment Campaign over Tropical Forest In L- and P-Band Polarimetric interferometric SAR", Proc. 3D Remote Sensing in Forestry, Vienna, 14.2 15.2.2005

77. Cloude S.R., Papathanassiou P.K., and Pottier E. Radar Polarimetry and Polarimetric Interferometry. IEICE Trans. Electron., 2001. 84(12). - pp. 1814-1822.

78. Cloude S.R. and Papathanassiou P.K. A Three-Stage Inversion Process for Polarimetric SAR Interferometry. IEE Proc. radar Sonar and Navigation. -2003.-vol. 150. №3. - pp.125-134.

79. King R.J., Microwave electromagnetic nondestructive testing of wood // Proc. Non-Destructive Testing on Wood. 1978. - pp. 121-134.

80. Anders P. Kaestner and Lars B. Baath Microwave Polarimetry Tomography of Wood // IEEE SENSORS JOURNAL. 2005. - VOL. 5. - №2. - pp. 209-215.

81. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. M.: Сов. Радио, 1973. -496 с.

82. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректно поставленных задач. М.: Наука, 1986.

83. Зверев В.А. Радиооптика. М.: Сов. радио, 1975. 304 с.

84. Ключников A.C. Радиооптика и голография: учеб. пособие для вузов. -Мн.: Университетское, 1989. -224 с.

85. Балтер Б.М., Ведешин JI.A., Егоров В.В. Аэрокосмический радиолокационный мониторинг Земли. М.: Радиотехника, 2006. 240 с.