Пространственно-временное синтезирование в подповерхностной радиотомографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

□□3054018

Суханов Дмитрий Яковлевич

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ СИНТЕЗИРОВАНИЕ В ПОДПОВЕРХНОСТНОЙ РАДИОТОМОГРАФИИ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск 2007

003054018

Работа выполнена в Томском государственном университете

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Якубов Владимир Петрович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, Банах Виктор Арсентьевич Доктор технических наук, Кашкин Валентин Борисович

Ведущая организация:

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Защита состоится " 15 " марта 2007 г. в 14 час. 30 мин. на заседании специализированного совета Д 212.267.04 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора наук при Томском государственном университете: 634034, Томск, пр. Ле-

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 36, ТГУ

Автореферат разослан "09" февраля 2007 г.

нина, 36, ТГУ, ауд. 113.

Учёный секретарь специализированного совета

Актуальность

Системы сверхширокополосного (СШП) радиозондирования применяются в различных областях дистанционного исследования сред и объектов в связи с высокой информативностью СШП сигналов. Одной из интенсивно развивающихся областей применения СШП сигналов является подповерхностная радиолокация, которая используется в археологии, в системах обнаружения полезных ископаемых, для исследования и прокладки подземных коммуникаций, для поиска противотанковых и противопехотных мин, включая диэлектрические.

Применение радиоволн для обнаружения объектов под поверхностью земли в настоящее время приобрело широкое распространение в связи со значительным прогрессом в развитии радиоэлектронных средств генерирования и приёма СШП излучения. Благодаря сверхширокополосному импульсному излучению становится возможным определять трёхмерное расположение рассеивающих неоднородностей в среде. Кроме того, существует возможность определения электрофизических свойств фоновой среды и в ряде случаев свойств рассеивающих объектов.

Для зондирования среды возможно использование как направленных, так и ненаправленных антенн. В случае импульсного зондирования с применением узконаправленных антенн распределение рассеивающих неоднородностей будет восстановлено без специальной обработки сразу как результат измерения рассеянного поля. Однако метод с использованием направленных антенн требует использования антенн с большой апертурой и в реальных условиях не способен обеспечить высокое разрешение.

В случае использования ненаправленных антенн для восстановления распределения неоднородностей необходимо проводить специальную обработку данных измерений. Без специальной обработки откликом системы на точечный рассеиватель в среде будет дифракционная гипербола. Существует множество различных методов, основанных на интерпретации формы дифракционных гипербол для определения положения рассеивателей в среде. Также широко применяются методы, основанные на пространственно согласованной фильтрации с численной фокусировкой результатов измерения рас-

сеянного поля последовательно во все точки среды. При этом использование ненаправленных антенн позволяет синтезировать большую апертуру и получить высокое пространственное разрешение.

Большинство из существующих методов используют контактное зондирование среды, что позволяет не учитывать преломление и отражение от поверхности среды и упрощает процедуры обработки данных радиолокационного зондирования.

В некоторых применениях, таких как поиск мин, необходимо бесконтактное зондирование среды. В этом случае требуется учитывать эффекты преломления на границе раздела сред. Использование анализа формы дифракционных гипербол и метода пространственно согласованной фильтрации также возможно, однако задача усложняется требованием априорной информации о коэффициенте преломления среды и необходимостью численного расчета траектории распространения волн через границу раздела сред, что требуют значительных вычислительных ресурсов.

Существует необходимость создания новых эффективных методов обработки данных бесконтактного зондирования ненаправленными антеннами, которые бы работали в реальном масштабе времени и при этом обеспечивали определение коэффициента преломления фоновой среды без использования априорных данных и дополнительных измерений.

Цель работы

Целью работы является разработка математической модели радиозондирования полупространства, учитывающей основные физические механизмы распространения радиоволн через границу раздела сред, а также создание на её основе метода восстановления распределения неоднородностей и определения фонового коэффициента преломления среды по данным бесконтактного локационного зондирования в реальном масштабе времени.

Основные задачи

1. Решение задачи расчета поля, рассеянного полупространством с некоторым фоновым коэффициентом преломления и рассеивающими неоднородностями при зондировании среды с помощью ненаправленного излучателя сферических волн, работающего в сверхширокой полосе частот.

2. Разработка метода восстановления распределения неодно-родностей на основе данных о рассеянном поле и исследование точности метода и его разрешающей способности.

3. Разработка метода бесконтактного определения коэффициента преломления среды.

4. Экспериментальная проверка предложенных методик.

Методы исследования

В работе для решения прямой задачи использовались модель однократного рассеяния в скалярном приближении и разложение сферических волн в спектр по плоским волнам. В решении обратной задачи принято приближение сильного преломления. Для анализа точности решения обратной задачи проводились аналитические и численные расчёты аппаратной функции предложенной системы. Проведены эксперименты по обнаружению тестовых диэлектрических и металлических объектов в песке на глубинах до 20 см, а также эксперименты по определению среднего коэффициента преломления песка.

Защищаемые положения

1. Процедура пространственной фокусировки в приповерхностную точку среды рассеянного полупространством излучения методом синтезирования, в приближении сильного преломления, приводит к выделению локальных взаимодействий излучения с подповерхностными неоднородностями среды в пределах примыкающей к границе поперечно локализованной под точкой фокусировки и ориентированной по нормали к поверхности квазицилиндрической области, поперечный размер которой оценивается рабочей длиной волны, а продольный размер ограничен глубиной затухания волны в среде. Реализация этой процедуры в виде свертки зарегистрированного распределения рассеянного поля с фокусирующей функцией позволяет синтезировать эффект фокусировки в каждой точке границы раздела сред.

2. Процедура временной фокусировки монохроматического излучения в сверхширокой полосе частот с использованием преобразования Фурье в сочетании с процедурой пространственной фокусировки рассеянного полупространством из-

лучения позволяет в приближении однократного рассеяния восстановить трехмерное распределение подповерхностных неоднородностей. При этом точность восстановления по глубине сравнима с пространственной протяженностью синтезируемого импульса, обратно пропорциональной ширине полосы используемых частот и коэффициенту преломления фоновой среды. Совместная пространственно-временная фокусировка СШП излучения позволяет реализовать полную томографическую обработку многочастотных и многопозиционных данных радиозондирования с использованием трехмерного быстрого преобразования Фурье.

3. Введение управляемой пространственно-временной фазиров-ки при обработке данных методом синтезирования позволяет реализовать наклонную фокусировку излучения и визуализировать негоризонтальные участки рассеивающих подповерхностных объектов. Линейное искажение изображения, получаемого при наклонной фокусировке относительно изображения, полученного при вертикальной фокусировке, зависит от фонового коэффициента преломления среды. Фоновый коэффициент преломления определяется методом наимень-, ших квадратов при совмещении изображений путём обратного линейного преобразования, устраняющего искажение.

Научная новизна

1. Впервые для обработки данных многопозиционного сверхширокополосного радиозондирования подповерхностных неоднородностей использовано приближение сильного преломления, которое, при сохранении разрешения по горизонтали позволило ограничиться фокусировкой обратно рассеянного излучения в приповерхностные точки среды и не использовать последовательное погружение точки фокусировки.

2. Впервые для восстановления трехмерного распределения подповерхностных неоднородностей по пространственно-частотному распределению рассеянного поля над границей зондируемого полупространства предложено использовать алгоритм трехмерного быстрого преобразования Фурье. Предложен новый метод численного моделирования аппа-

ратных функций в частотной и временной областях для сверхширокополосных радиозондирующих систем, использующих метод синтезирования.

3. Предложен метод наклонного зондирования среды и метод определения на его основе коэффициента преломления фоновой среды. Дана оценка потенциальной точности метода.

Достоверность всех защищаемых положений подтверждается согласием полученных теоретических результатов с данными разносторонних численных моделей и результатами обработки прямых экспериментов по зондированию различных диэлектрических и металлических тестовых объектов, скрытых под поверхностью влажного песка. Экспериментально подтверждено, что при использовании полосы частот от 0,5 до 17 ГГц обеспечивается совпадение формы тестовых объектов и восстановленного изображения с точностью до 1 см.

Метод определения коэффициента преломления с помощью наклона линии фокусировки был применён к результатам численных и натурных экспериментов и получено точное соответствие полученного значения коэффициента преломления и смоделированного в численном эксперименте. Коэффициент преломления, определённый по результатам натурных измерений для сухого песка составил 1.5 ±0.1, что согласуется с результатами других методов для той же среды.

Все принятые приближения (однократного рассеяния, сильного преломления) физически и математически обоснованы и находятся в полном согласии с известными положениями теории распространения радиоволн в неоднородных средах.

Научная ценность

Установлено влияние сильно преломляющей среды на результат фокусировки обратно рассеянного поля в приповерхностные точки среды. Предложенные методы расчета аппаратных функций системы позволяют оценить разрешающую способность и пределы применимости приближения сильного преломления для сред с конечным значением коэффициента преломления.

Предложена методика решения задачи восстановления распределения неоднородностей в среде на основе данных СШП многопозиционного радиозондирования.

Разработаны аналитические и численные методы анализа аппаратной функции рассмотренной системы подповерхностной СШП радиолокации в частотной и временной областях.

Предложена и исследована методика наклонного сканирования среды при обработке данных СШП радиозондирования, которая позволяет реализовать эквивалентное зондирование среды квазиплоскими волнами, распространяющимися не вертикально.

Практическая значимость

Разработанный метод восстановления распределения рассеивающих неоднородностей в среде позволяет создать системы подповерхностного зондирования, работающие в реальном времени.

Метод наклонной фокусировки, реализуемый на основе трёхмерного быстрого преобразования Фурье, позволяет получать дополнительную информацию о рассеивающих объектах, в частности визуализировать невидимые сверху участки этих объектов. При использовании излучения с полосой 0.5-17 ГГц обеспечивается реальное пространственное разрешение порядка 1 см.

Предложен метод бесконтактного определения коэффициента преломления фоновой среды, не требующий априорной информации о расположении рассеивающих неоднородностей. Данный метод не требует каких-либо дополнительных измерений и использует те же данные СШП зондирования, что и в методе восстановления распределения неоднородностей.

Продемонстрирована возможность обобщения разработанного метода синтезирования для немонохроматических сигналов, в частности для сигналов с линейной частотной модуляцией для восстановления распределения пространственно протяженных неоднородностей. Это позволяет использовать предложенные методы пространственно-временного синтезирования для СШП систем радиозондирования, использующих различные типы модуляции сигнала.

Внедрение результатов диссертации и рекомендации по

дальнейшему использованию

Результаты работы использованы на кафедре радиофизики при выполнении фантов РФФИ № 01-02-17233, по программе «Университеты России» № УР.01.01.395 и лота ФАНИ РФ по проекту ФЦНТП - госконтракт № 02.438.11.7008 от 19 августа 2005 г. шифр РИ-16.0/013 "Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области технологий безопасности и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок". Результаты работы используются в учебном процессе при постановке и выполнении курсовых работ по радиоволновой томографии. Предложенные методы обработки данных многочастотного зондирования применяются в Магдебургском университете (ESK HF), Германия. Проведена обработка данных радиозондирования сигналами с линейной частотной модуляцией (JI4M), предоставленных институтом нераз-рушающих методов контроля (IZFP), г. Саарбрюккен, Германия, где в дальнейшем предполагается применение предложенных методов.

Предложенные методы могут применяться в геолокации, археологии, для обнаружения различных скрытых объектов, для поиска противопехотных мин, для подповерхностного зондирования коммунальных сооружений, для разработки перспективных систем безопасности. Разработанные методы обладают высоким быстродействием, и позволяют проводить обработку данных радиозондирования в реальном масштабе времени.

Апробация работы

Результаты работы опубликованы в виде 5 статей и докладывались на следующих конференциях: Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands; VII Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004, 21-24 сентября, 2004, Новосибирск; 11-th international conference "Modern technique and technologies", IEEE, 29 march-2 april, 2005; Третья Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления" 12-14

октября, 2005, Томск; Вторая всероссийская научная конференция - семинар "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" СРСА - 2006, 4- 7 июля, 2006, Муром; Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы радиофизики АПР-2006", 21-23 сентября 2006 года, Томск.

Личный вклад автора

Постановка и решение задач диссертации проведены автором под руководством профессора В.П. Якубова, который является основным соавтором публикаций. Предложенный ранее научным руководителем метод синтезирования пространственно-временной фокусировки в диссертации был всесторонне - аналитически, численно и экспериментально исследован автором. Автором были определены границы применимости метода и дано его обобщение на случай наклонной фокусировки, на основе чего им были предложены новые методы дистанционного определения усредненного коэффициента преломления и обнаружения негоризонтальных поверхностей скрытых объектов и объектов за пределами области перемещения антенн. Кроме того, данный метод обобщен автором для случая использования модулированного излучения. Автором разработано программное обеспечение для всех предложенных методов. Основные тестовые экспериментальные исследования проведены на установке, созданной в Магдебургском университете (Германия) под руководством профессора В.П. Якубова и с использованием антенных разработок доцента Ю.И. Буянова. Измерения с корпусами диэлектрических мин проведены профессором В.П.Якубовым совместно с сотрудниками Магдебургского университета с использованием, принадлежащего им высокоточного векторного анализатора цепей. Все измерения по наклонной фокусировке проведены на упомянутой установке лично автором в ходе годичной стажировки в Германии по гранту Президента РФ при выполнении магистерской программы. Экспериментальные данные по зондированию скрытых объектов частотно модулированным излучением были любезно предоставлены автору для тестовой обработки в рамках договора о содружестве с Фраунгоферов-ским институтом неразрушающих методов контроля (КБР, Саарбрюккен, Германия). Автор диссертации выражает

свою искреннюю благодарность всем упомянутым выше лицам и организациям за под держку и помощь в выполнении работы.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. В работе содержится 122 страницы, 91 рисунок, 1 таблица, список литературы, насчитывающий 73 наименования, приложение.

Краткое содержание диссертации

Во введении приводятся общая характеристика работы, актуальность выбранной темы, цель и задачи исследования, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены основные математические модели распространения радиоволн, использующиеся в диссертации. Рассмотрены основные физические процессы, которые необходимо принимать во внимание, среди них преломление плоских волн на границе раздела сред, описываемое законом преломления Снеллиуса и формулами Френеля.

С помощью разложения сферической волны по плоским волнам описано прохождение излучения от изотропного источника в среду, с учётом преломления. Функция Грина, описывающая прохождение излучения от точечного источника через границу раздела сред записывается следующим образом:

С(г0,г1)= } ] 'Т(к0)ехр(/к01(р,-РоМо^^)^ > (1) -1-1 2(2 л¥к01

где г0 - координата точечного источника в верхнем полупространстве; Г! - точка измерения значения поля в нижнем полупространстве; р - вектор горизонтальной плоскости; Т(к0) - коэффициент прохождения границы раздела сред; к0 - волновой вектор в верхнем полупространстве; к! - волновой вектор в нижнем полупространстве; к0г = кI -к012 , ки = к2 -к012 . Поверхность среды описывается уравнением г = 0 .

В главе также приводятся основные положения теории однократного рассеяния, используемые в диссертации.

Представлен обзор литературы и основные методы зондирования среды и методы восстановления распределения неодно-родностей, предложенные ранее другими исследователями.

Во второй главе представлена схема зондирования полупространства (рис. 1). Излучающая 1 и приемная 2 антенны перемещаются в горизонтальной плоскости на фиксированной высоте. С определённым шагом производится зондирование среды 3 сверхширокополосным излучением.

Приведено решение прямой задачи рассеяния радиоволн на полупространстве с рассеивающими неоднородностями в скалярном приближении однократного рассеяния.

Пользуясь борновским приближением однократного рассеяния, можно записать поле в точке приёма г'0, рассеянное объёмом среды при условии, что среда облучается точечным источником, расположенным над средой в точке г0:

Е(г'0 ,г0) = *,2 , (2)

К

где Ае - характеризует распределение рассеивающих неодно-родностей в объёме среды; У1 - нижнее полупространство, вмещающее рассеивающие неоднородности; функция Грина О определяется согласно формуле (1).

Предлагается решение обратной задачи восстановления распределения неоднородностей на основе информации о рассеянном поле, в приближении сильно преломляющей среды с помощью фокусировки сверхширокополосного излучения в приповерхностные точки среды на каждой частоте: 00

Аг{х,у,2)= ¡еч4фг1с ¡Щх\у\/)м{х-х\у-у)ск'с1у^/, (3)

где М(р) = +Уг+кг +-»/(*+<*'2)1+/+А2) . функциЯ( обеспе_

чивающая фокусировку излучения в приповерхностные точки среды; Д е(х,у,г) - распределение рассеивающих неоднородностей в среде; <1 - расстояние между антеннами. Обратное преоб-

разовапие Фурье в (3) обеспечивает разрешение по дальности, а свёртка с фокусирующей функцией разрешение по горизонтали.

Программно выражение (3) реализуется на основе операций быстрого преобразований Фурье, при этом фокусировка проводится только в ириповерх постные точки, а не во веем объёме среды, что позволяет создать алгоритм для восстановления распределения неоднородное гей в реальном времени.

Далее и главе приводится численное и аналитическое исследование точности предложенного метода восстановления распределения неоднородное! ей.

Приводятся результаты аналитических расчетов и численного моделирования аппаратной функции системы, то сечь отклика системы на точечный рассеиватель в частотной и временной областях. Получено, что при сильном преломлении высокая локализация аппаратной функции, достигнутая па поверхности среды благодаря фокусировке, сохраняется и на глубине.

На рис.2 а представлен результат расчёта аппаратной функции для частоты 10 ГГц, размера синтезируемой апертуры 50 см и коэффициента преломления /7 = 3. На рис, 2 б показана

Рис. I, Схема проведения измерений

аппаратная функция систем],! во временной области при полосе частот 20 ГГц.

Х,ст Хст

а б

Рис. 2. Аппаратная функция системы

По аппаратной функции рис. 2а видно, что фокусировка излучения на поверхность среды выделяет квазицилиндрическую область взаимодействия Излучения с веществом, что обеспечивает разрешение по горизонтали. Аппаратная функция во временной области рис, 26 показывает, что временная фокусировка с использованием преобразования Фурье по частоте обеспечивает разрешение системы по вертикальной оси.

Численный расчет аппаратных функций позволяет оценить разрешающую способность системы. В главе приводятся аналитические оценки разрешающей способности системы для заданного диапазона частот и области перемещения приёмопередающей антенны.

В главе предлагается метод наклонной фокусировки рассеянного излучения, позволяющий сканировать среду под разными углами и обнаруживать не горизонта л ь ные участки рассеивающих объектов. Суть метода заключается в фокусировке рассеянного поля в приповерхностную точку среды, смещённую относительно центра апертуры. Проведено численное моделирование аппаратной функции системы при наклонной фокусировке (рис. 3).

Пространственно-временное изображение, полученное при наклонном сканировании среды с учётом преломления, приближённо можно записать в виде:

F(x,y,t,a)a¡ Az(x-ct-sinP¡2n,y,cí-cosP/2n). (4) Угол наклонного сканирования среды р можно связать с углом падения а, который не будет зависеть от коэффициента преломления среды, а будет определяться только расположением апертуры и сдвигом точки фокусировки от центра апертуры. Угол падения а является углом наклонной фокусировки.

Обозначим z = ct! 2, тогда с учётом закона преломления плоских волн на границе сред sina = nsin/?, в приближении (4) можно записать:

Б(л:, y,2z le, а)« Де(х', y',z'),

где х'= х —zs'm а/п2 , у'- у, z' = z-Jn2 — sin 2 а/и2 (5) - истинные координаты положения неоднородностей зондируемой среды. Угол наклонной фокусировки а задается при обработке данных и может быть выбран произвольно. Обратное к (5) преобразование координат

х = x' + z's'ma/*Jn2 -sin2a, у = у', z = z'n2\*Jn2 - sin2а (6) позволяет сопоставить результатам обработки данных (4) истинное распределение неоднородностей Ae(x',y',z'), которое уже не

должно зависеть от а , и, следовательно, Y{x,y,2z Iс,а) совпадет с пространственно-временным изображением, полученным при вертикальной фокусировке:

Дв(х', у', z') = F(x, y,2z/c,a*0)=F(x',y' ,2 z' n/c,a = 0). (7) Соотношение (7) становится тождеством, если входящий в него параметр п совпадает с коэффициентом преломления зондируемой среды. Поэтому соотношение (7) можно рассматривать как неявное уравнение для нахождения п, которое должно удовлетворяться для всех точек нижнего полупространства (x',y',z'). Поскольку в экспериментальных данных всегда присутствуют шумы измерений, то при использовании метода наименьших

квадратов задача для оценки п сводится к минимизации функционала

Ф[п]= X Цха>Уа&а ¡c,a)-Y{x\y\2z'n¡c,cc = of . (8)

При этом в определенной степени будут компенсироваться и погрешности принятых приближений модели явления.

В главе также приводится оценка точности метода (своего рода доверительного интервала), которая выражается следующим образом:

п2 Дх

Ал»---г,

sin a z

где Ах - доверительный интервал определения координаты цели по горизонтали.

В главе также описана методика определения коэффициента преломления по дифракционным гиперболам при бесконтактном зондировании. С помощью аналитических расчетов в различных приближениях показана возможность применения данного метода.

В четвёртой главе представлена экспериментальная установка и методика измерений. Приводится описание проведённых экспериментов. Представлены результаты обработки экспериментальных данных, результаты, подтверждающие работоспособность предложенных методов.

На рис. 4 представлен результат восстановления изображения двух уголковых отражателей, расположенных на глубинах 9 см и 10 см. При зондировании использовался диапазон частот 0,5-17 ГТц при размере апертуры 50 см. Для обработки результатов измерений рассеянного поля использовался алгоритм, основанный на формуле (3).

Из восстановленного изображения видно, что рассеивающие объекты можно однозначно различить по горизонтали и вертикали. Сопоставление временного запаздывания сигналов и реальной глубины закладки отражателей позволило уточнить коэффициент преломления песка и = 1.5.

а б

Рис. 3. Аппаратная функция системы при наклонной фокусировке для среды с п=2: а - в частотной области на частоте 10 ГГц; б - во 15рема м юй области при I юлосе частот 20 ГГц

В главе описывается возможность фокусировки и восстановления распределения неоднородкостей за пределами области перемещения антенн.

Рассматривается случай применения предложенного метода при неподвижной передающей антенне и использовании приемной антенной решётки.

Также описана возможность применения фокусировки в случае использования сигналов с линейной частотной модуляцией.

В третьей главе предложены методы бесконтактного определения коэффициента преломления среды.

Излагается возможность определения фонового коэффициента преломления среды на основе метода наклонной фокусировки. Основная идея метода заключается в том, что преломление па границе раздела сред приводит к изменению угла сканирования среды. Это изменение можно определить по линейному искажению восстанавливаемого изображения рассеивающих неоднород-ностей относительно изображения, полученного при вертикальной фокусировке.

о

-10

в

м"

-20

-30

-20 0 20 х, ст

Рис. 4. Радиотомограмма уголковых отражателей

В пссок па глубины от 1 до 25 см были помещены три корпуса пластиковых противопехотных мнн и ступенчатый объект из вспененного полистирола с размером ступенек 5 см, фотография которых в плане представлена па рис. 5. Объект 1 был заложен на глубину 2 см. объект 2 па глубину 7 см, объект 3 на глубину 11 см. В ходе измерений использовался диапазон частот 0,5-17 ГГц. Система из приемной и передающей антенн, закрепленных между собой па расстоянии 14 см, перемещалась шагом 1 см в горизонтальной плоскости по квадрату 50x50 см, на высоте 30 см над поверхностью песка.

Результат восстановления формы тестовых объектов и их глубины залегания приведены на рис. 6. Для улучшения визуального качества изображений использовалась линейная фильтрация сигнала с увеличением амплитуды на высоких частотах.

Из представленных рисунков видно, что предложенный метод для описанной установки имеет разрешение по горизонтали около ! см до глубины 1 1 см.

Ч 20

Рис. 7. Восстановленное изображение без наклона фокусировки

Рис.8. Восстановленное изображение при наклоне фокусировки на 30°

Описывается программное обеспечение, разработанное на основе предложенных алгоритмов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

В приближении однократного рассеяния и (¿ильного преломления предложено решение задачи восстановления распределения неоднородностей, скрытых под плоской границей раздела сред но результатам многопозицйонного сверхширокополосного радиозондирования па основе фокусировки измеренного рассеянного поля в приповерхностные точки среды.

Численные и аналитические расчеты аппаратной функции показали. что приближение сильного преломления применимо и для сред с конечным коэффициентом преломления до некоторой глубины. Предложенный метод восстановления распределения неоднородностей в частотной области эквивалентен зондированию среды узким лучом. Во временной области предложенный метод эквивалентен зондированию среды пространственно локализованным радио импульсом, распространяющимся в пределах квазицилиндрической области.

о Г:

-20

0 Х,ст

20

-20

1 -0 Х,ст

20

Рис. 7. Восстановленное изобра- Рис.8. Восстановленное изображение жение без наклона фокусировки при наклоне фокусировки на 30°

Описывается программное обеспечение, разработанное на основе предложенных алгоритмов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

В приближении однократного рассеяния и сильного преломления предложено решение задачи восстановления распределения неоднородностей, скрытых под плоской границей раздела сред по результатам многопозиционного сверхширокополосного радиозондирования на основе фокусировки измеренного рассеянного поля в приповерхностные точки среды.

Численные и аналитические расчеты аппаратной функции показали, что приближение сильного преломления применимо и для сред с конечным коэффициентом преломления до некоторой глубины. Предложенный метод восстановления распределения неоднородностей в частотной области эквивалентен зондированию среды узким лучом. Во временной области предложенный метод эквивалентен зондированию среды пространственно локализованным радио импульсом, распространяющимся в пределах квазицилиндрической области.

Разрешающая способность системы главным образом определяется полосой частот зондирующего сигнала и размером синтезируемой апертуры.

Приведённые результаты обработки экспериментальных данных с помощью предложенного метода подтверждают его способность восстанавливать распределение неоднородностей в среде. Программная реализация предложенного метода на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье позволяет проводить обработку данных зондирования в реальном масштабе времени.

Предложен метод наклонной фокусировки, позволяющий проводить невертикальное сканирование среды. Наклонная фокусировка обеспечивается благодаря смещению точки фокусировки относительно синтезируемой апертуры. Экспериментально подтверждена возможность визуализации негоризонтальных поверхностей рассеивающих объектов путем обработки данных методом наклонной фокусировки. Также рассмотрены возможность восстановления распределения неоднородностей за пределами области перемещения антенн и возможность применения фокусировки в случае использования неподвижной передающей антенны.

Предложен новый метод бесконтактного определения коэффициента преломления среды на основе метода наклонной фокусировки. Приводятся результаты определения коэффициента преломления на численных моделях и натурных экспериментах. Предложена оценка погрешности определения коэффициента преломления.

Бесконтактный метод определения среднего коэффициента преломления среды не требует априорной информации о расположении рассеивающих объектов в среде, но для его работы необходимо наличие как минимум двух рассеивателей на различных глубинах, либо одного рассеивателя при известной высоте антенн над поверхностью среды.

Также рассмотрен метод определения коэффициента преломления по форме дифракционных гипербол. Получены аналитические соотношения для определения коэффициента преломления в случае контактного и бесконтактного зондирования в приближении большого и малого удаления положения антенны от рассеивателя.

Публикации по теме диссертации

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

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

3. Д.Я. Суханов, В.П. Якубов. Бесконтактный метод измерения электрофизических свойств грунта с использованием сверхширокополосного излучения // Изв. вузов. Физика. - 2006. -№9. Приложение. - С. 58-61.

4. Д.Я. Суханов, В.П. Якубов, A.C. Омар. Метод дифракционных гипербол для бесконтактного определения коэффициента преломления среды // Изв. вузов. Физика. - 2006. - №9. Приложение. - С. 62-66.

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

6. В.П. Якубов, Е.Д. Тельпуховский, Г.М. Цепелёв, A.B. Клоков, H.A. Моисеенко, С.Н. Новик, Д.Я. Суханов, О.В. Якубова. Радиолокационная томография // Оптика атмосферы и океана. -2006. - Т. 19. №12.- С.1081-1086.

7. В.П. Якубов, Д.Я. Суханов. Метод фокусировки в подповерхностной локации // VII Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004.21-24 сентября, 2004. Новосибирск-С.13-17.

8. В.П. Якубов, Д.Я. Суханов. Многочастотная подповерхностная радиотомография диэлектрических объектов // Вторая всероссийская научная конференция - семинар "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" СРСА 2006, Муром, 4-7 июля, 2006. - С.210-214.

9. D.Y. Sukhanov. Reconstruction of the heterogeneity distribution outside of the scanning region in subsurface radiotomography based on the synthetic aperture radar // 11th international conference "Modern technique and technologies". IEEE. 29march-2 april, 2005. - Tomsk - P. 46-47.

10. Д.Я. Суханов. Фокусировка радара с синтезированной апертурой в подповерхностной радиотомографии при использовании неподвижной передающей антенны // Третья международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления" 12-14 октября 2005 г. Томск, 4.1, - 2005. - С 32-33.

11. Д.Я. Суханов, В.П. Якубов. Оценка разрешающей способности в подповерхностной радиотомографии // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. №4 (12). - 2005. -С. 84-89.

12.Д.Я. Суханов, А.Я. Суханов. Модель распространения радиоволн для сверхширокополосной радиолокации лесной среды // Труды региональной научно-технической Школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученных "Современные проблемы радиотехники" СПР 2003. 26-28 ноября, 2003.- Новосибирск. - С 27-28.

13. Д.Я. Суханов. Моделирование оптической системы с линзой // Межрегиональная научно-техническая конференция студентов и молодых ученых "Научная сессия ТУ СУР". 14-16 мая, 2002. -Томск. - С. 48-50.

14. Д.Я. Суханов, А.Я. Суханов. Повышение разрешения изображений, полученных в условиях расфокусированной оптической системы // Материалы конгресса "Практикующий врач". Сочи. Академия естествознания, 1- 4 октября, 2002. - С. 112.

15.Д.Я. Суханов, H.A. Моисеенко. Моделирование рассеяния сверхширокополосного излучения в лесу // XLI Международная научная студенческая конференция "Студент и научно-технический прогресс". Физика / Новосиб. гос. Ун-т. Новосибирск, 2003.- С. 106.

16.Д.Я. Суханов. Алгоритм повышения разрешения и геометрической коррекции изображений поверхности земли // Тезисы докладов региональной научно-технической конференции "Радиотехнические устройства, информационные технологии и системы управления". 15-18 мая, 2001. - Томск, Россия, 4.2. - С .30-32.

17. Д.Я. Суханов. Дифференциальные методы обработки изображений // Труды региональной научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные проблемы радиотехники СПР-2001". 26-30 ноября, 2001. - Новосибирск. - С.55-56.

Тираж 100. Заказ № 90. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Геолокация и подповерхностное радиозондирование.

1.1. Основные физические процессы, рассматриваемые при решении задач радиозондирования.

1.1.1. Прохождение плоских волн через границу раздела сред.

1.1.2. Основные методы, используемые при решении задач рассеяния.

1.2. Методы зондирования.

1.3. Обработка результатов измерений рассеянного поля.

1.3.1. Метод радара с синтезированной апертурой при использовании ненаправленных антенн.

1.3.2. Метод миграции во временной области.

1.4. Обзор существующих систем геолокации.

Системы сверхширокополосного (СШП) радиозондирования применяются в различных областях дистанционного исследования сред и объектов в связи с высокой информативностью СШП сигналов. Одной из интенсивно развивающихся областей применения СШП сигналов является подповерхностная радиолокация, которая находит применение в археологии, в системах обнаружения полезных ископаемых, для исследования и прокладки подземных коммуникаций, в дорожном строительстве, для поиска противотанковых и противопехотных мин, включая диэлектрические.

Применение радиоволн для обнаружения объектов под поверхностью земли в настоящее время приобрело широкое распространение в связи со значительным прогрессом в развитии радиоэлектронных средств генерирования и приёма СШП излучения. Благодаря СШП излучению становится возможным восстановление трёхмерного распределения рассеивающих неоднородностей в среде. Кроме того, существует возможность определения электрофизических свойств фоновой среды и в ряде случаев свойств рассеивающих объектов.

Для зондирования среды используются как направленные, так и ненаправленные антенны. В случае импульсного зондирования с применением узконаправленных антенн распределение рассеивающих неоднородностей будет восстановлено без специальной обработки сразу как результат измерения рассеянного поля. Однако метод с использованием направленных антенн требует использования антенн с большой апертурой и в реальных условиях не способен обеспечить высокое разрешение.

В случае использования ненаправленных антенн для восстановления распределения неоднородностей необходимо проводить специальную обработку данных измерений. Без специальной обработки откликом системы на точечный рассеиватель в среде будет дифракционная гипербола. Существует множество различных методов, основанных на интерпретации формы дифракционных гипербол для определения положения рассеивателей в среде. Широко применяются также методы, основанные на пространственно согласованной фильтрации с численной фокусировкой результатов измерения рассеянного поля последовательно во все точки среды. При этом использование ненаправленных антенн позволяет синтезировать большую апертуру и получить высокое пространственное разрешение. Но такие методы, как правило, требуют значительных вычислительных ресурсов.

В некоторых применениях, таких как поиск мин, необходимо бесконтактное зондирование среды. В этом случае требуется учитывать эффекты преломления на границе раздела сред. Использование анализа формы дифракционных гипербол и метода пространственно согласованной фильтрации здесь также возможно, однако задача усложняется требованием априорной информации о коэффициенте преломления среды и необходимостью численного расчета траектории распространения волн через границу раздела сред.

Существует необходимость создания новых эффективных методов обработки данных бесконтактного зондирования ненаправленными антеннами, которые работали бы в реальном масштабе времени и при этом обеспечивали определение коэффициента преломления фоновой среды без использования априорных данных и дополнительных измерений.

Цель работы

Целью работы является разработка математической модели радиозондирования полупространства, учитывающей основные физические механизмы распространения радиоволн через границу раздела сред, а также создание на её основе метода восстановления распределения неоднородностей и определения фонового коэффициента преломления среды по данным бесконтактного локационного зондирования в реальном масштабе времени.

Основные задачи

1. Решение задачи расчета поля, рассеянного полупространством с некоторым фоновым коэффициентом преломления и рассеивающими неоднородностями при зондировании среды с помощью ненаправленного излучателя сферических волн, работающего в сверхширокой полосе частот.

2. Разработка метода восстановления распределения неоднородностей на основе данных о рассеянном поле и исследование точности метода и его разрешающей способности.

3. Разработка метода бесконтактного определения коэффициента преломления среды.

4. Экспериментальная проверка предложенных методик.

Методы исследования

В работе для решения прямой задачи использовались модель однократного рассеяния в скалярном приближении и разложение сферических волн в спектр по плоским волнам. В решении обратной задачи принято приближение сильного преломления. Для анализа точности решения обратной задачи проводились аналитические и численные расчёты аппаратной функции предложенной системы. Проведены эксперименты по обнаружению тестовых диэлектрических и металлических объектов в песке на глубинах до 20 см, а также эксперименты по определению среднего коэффициента преломления песка.

Защищаемые положения

1. Процедура пространственной фокусировки в приповерхностную точку среды рассеянного полупространством излучения методом синтезирования, в приближении сильного преломления, приводит к выделению локальных взаимодействий излучения с подповерхностными неоднородностями среды в пределах примыкающей к границе поперечно локализованной под точкой фокусировки и ориентированной по нормали к поверхности квазицилиндрической области, поперечный размер которой оценивается рабочей длиной волны, а продольный размер ограничен глубиной затухания волны в среде. Реализация этой процедуры в виде свертки зарегистрированного распределения рассеянного поля с фокусирующей функцией позволяет синтезировать эффект фокусировки в каждой точке границы раздела сред.

2. Процедура временной фокусировки монохроматического излучения в сверхширокой полосе частот с использованием преобразования Фурье в сочетании с процедурой пространственной фокусировки рассеянного полупространством излучения позволяет в приближении однократного рассеяния восстановить трехмерное распределение подповерхностных неоднородностей. При этом точность восстановления по глубине сравнима с пространственной протяженностью синтезируемого импульса, обратно пропорциональной ширине полосы используемых частот и коэффициенту преломления фоновой среды. Совместная пространственно-временная фокусировка СШП излучения позволяет реализовать полную томографическую обработку многочастотных и многопозиционных данных радиозондирования с использованием трехмерного быстрого преобразования Фурье.

3. Введение управляемой пространственно-временной фазировки при обработке данных методом синтезирования позволяет реализовать наклонную фокусировку излучения и визуализировать негоризонтальные участки рассеивающих подповерхностных объектов. Линейное искажение изображения, получаемого при наклонной фокусировке относительно изображения, полученного при вертикальной фокусировке, зависит от фонового коэффициента преломления среды. Фоновый коэффициент преломления определяется методом наименьших квадратов при совмещении изображений путём обратного линейного преобразования, устраняющего искажение.

Научная новизна

1. Впервые для обработки данных многопозиционного сверхширокополосного радиозондирования подповерхностных неоднородностей использовано приближение сильного преломления, которое, при сохранении разрешения по горизонтали позволило ограничиться фокусировкой обратно рассеянного излучения в приповерхностные точки среды и не использовать последовательное погружение точки фокусировки.

2. Впервые для восстановления трехмерного распределения подповерхностных неоднородностей по пространственно- частотному распределению рассеянного поля над границей зондируемого полупространства предложено использовать алгоритм трехмерного быстрого преобразования Фурье. Предложен новый метод численного моделирования аппаратных функций в частотной и временной областях для сверхширокополосных радиозондирующих систем, использующих метод синтезирования.

3. Предложен метод наклонного зондирования среды и метод определения на его основе коэффициента преломления фоновой среды. Дана оценка потенциальной точности метода.

Достоверность всех защищаемых положений подтверждается согласием полученных теоретических результатов с данными разносторонних численных моделей и результатами обработки прямых экспериментов по зондированию различных диэлектрических и металлических тестовых объектов, скрытых под поверхностью влажного песка. Экспериментально подтверждено, что при использовании полосы частот от 0,5 до 17 ГГц обеспечивается совпадение формы тестовых объектов и восстановленного изображения с точностью до 1 см.

Метод определения коэффициента преломления с помощью наклона линии фокусировки был применён к результатам численных и натурных экспериментов и получено точное соответствие полученного значения коэффициента преломления и смоделированного в численном эксперименте. Коэффициент преломления, определённый по результатам натурных измерений для сухого песка составил 1.5 ± 0.1, что согласуется с результатами других методов для той же среды.

Все принятые приближения (однократного рассеяния, сильного преломления) физически и математически обоснованы и находятся в полном согласии с известными положениями теории распространения радиоволн в неоднородных средах.

Научная ценность

Установлено влияние сильно преломляющей среды на результат фокусировки обратно рассеянного поля в приповерхностные точки среды. Предложенные методы расчета аппаратных функций системы позволяют оценить разрешающую способность и пределы применимости приближения сильного преломления для сред с конечным значением коэффициента преломления.

Предложена методика решения задачи восстановления распределения неоднородностей в среде на основе данных СШП многопозиционного радиозондирования.

Разработаны аналитические и численные методы анализа аппаратной функции рассмотренной системы подповерхностной СШП радиолокации в частотной и временной областях.

Предложена и исследована методика наклонного сканирования среды при обработке данных СШП радиозондирования, которая позволяет реализовать эквивалентное зондирование среды квазиплоскими волнами, распространяющимися не вертикально.

Практическая значимость

Разработанный метод восстановления распределения рассеивающих неоднородностей в среде позволяет создать системы подповерхностного зондирования, работающие в реальном времени.

Метод наклонной фокусировки, реализуемый на основе трёхмерного быстрого преобразования Фурье, позволяет получать дополнительную информацию о рассеивающих объектах, в частности визуализировать невидимые сверху участки этих объектов. При использовании излучения с полосой 0.5-17 ГГц обеспечивается реальное пространственное разрешение порядка 1 см.

Предложен метод бесконтактного определения коэффициента преломления фоновой среды, не требующий априорной информации о расположении рассеивающих неоднородностей. Данный метод не требует каких-либо дополнительных измерений и использует те же данные СШП зондирования, что и в методе восстановления распределения неоднородностей.

Продемонстрирована возможность обобщения разработанного метода синтезирования для немонохроматических сигналов, в частности для сигналов с линейной частотной модуляцией для восстановления распределения пространственно протяженных неоднородностей. Это позволяет использовать предложенные методы пространственно-временного синтезирования для СШП систем радиозондирования, использующих различные типы модуляции сигнала.

Внедрение результатов диссертации и рекомендации по дальнейшему использованию

Результаты работы использованы на кафедре радиофизики при выполнении грантов РФФИ № 01-02-17233, по программе «Университеты России» № УР.01.01.395 и лота ФАНИ РФ по проекту ФЦНТП - госконтракт № 02.438.11.7008 от 19 августа 2005 г. шифр РИ-16.0/013 "Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научнообразовательных центров в области технологий безопасности и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок". Результаты работы используются в учебном процессе при постановке и выполнении курсовых работ по радиоволновой томографии. Предложенные методы обработки данных многочастотного зондирования применяются в Магдебургском университете (ffiSK HF), Германия. Проведена обработка данных радиозондирования сигналами с линейной частотной модуляцией (JT4M), предоставленных институтом неразрушающих методов контроля (IZFP), г. Саарбрюккен, Германия, где в дальнейшем предполагается применение предложенных методов.

Предложенные методы могут применяться в геолокации, археологии, для обнаружения различных скрытых объектов, для поиска противопехотных мин, для подповерхностного зондирования коммунальных сооружений, для разработки перспективных систем безопасности. Разработанные методы обладают высоким быстродействием, и позволяют проводить обработку данных радиозондирования в реальном масштабе времени.

Апробация работы

Результаты работы опубликованы в виде 5 статей и докладывались на следующих конференциях: Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands; VII Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2004, 21-24 сентября, 2004, Новосибирск; 11-th international conference "Modern technique and technologies", IEEE, 29 march - 2 april, 2005; Третья Международная научно-практическая конференция "Электронные средства и системы управления" 12-14 октября, 2005, Томск; Вторая всероссийская научная конференция - семинар "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" СРСА - 2006, 4- 7 июля, 2006, Муром; Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы радиофизики АПР-2006", 21-23 сентября 2006 года, Томск.

Личный вклад автора

Постановка и решение задач диссертации проведены автором под руководством профессора В.П. Якубова, который является основным соавтором публикаций. Предложенный ранее научным руководителем метод синтезирования пространственно-временной фокусировки в диссертации был всесторонне - аналитически, численно и экспериментально исследован автором. Автором были определены границы применимости метода и дано его обобщение на случай наклонной фокусировки, на основе чего им были предложены новые методы дистанционного определения усредненного коэффициента преломления и обнаружения негоризонтальных поверхностей скрытых объектов и объектов за пределами области перемещения антенн. Кроме того, данный метод обобщен автором для случая использования модулированного излучения. Автором разработано программное обеспечение для всех предложенных методов. Основные тестовые экспериментальные исследования проведены на установке, созданной в Магдебургском университете (Германия) под руководством профессора В.П.Якубова и с использованием антенных разработок доцента Ю.И. Буянова. Измерения с корпусами диэлектрических мин проведены профессором В.П. Якубовым совместно с сотрудниками Магдебургского университета с использованием, принадлежащего им высокоточного векторного анализатора цепей. Все измерения по наклонной фокусировке проведены на упомянутой установке лично автором в ходе годичной стажировки в Германии по гранту Президента РФ при выполнении магистерской программы. Экспериментальные данные по зондированию скрытых объектов частотно модулированным излучением были любезно предоставлены автору для тестовой обработки в рамках договора о содружестве с Фраунгоферовским институтом неразрушающих методов контроля (КРР, Саарбрюккен, Германия). Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем упомянутым выше лицам и организациям за поддержку и помощь в выполнении работы.

Краткое содержание диссертации

Во введении приводятся общая характеристика работы, актуальность выбранной темы, цель и задачи исследования, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены основные математические модели распространения радиоволн, использующиеся в диссертации. Рассмотрены основные физические процессы, которые необходимо принимать во внимание, среди них преломление плоских волн на границе раздела сред описываемое законом преломления Снеллиуса и формулами Френеля. С помощью разложения сферической волны по плоским волнам описано прохождение излучения от изотропного источника в среду с учётом преломления. В главе также приводятся основные положения теории однократного рассеяния, используемые в диссертации.

Представлены обзор литературы и основные методы зондирования среды и методы восстановления распределения неоднородностей, предложенные ранее другими исследователями.

Во второй главе приведена схема зондирования полупространства, рассматриваемая в диссертации. Приведено решение прямой задачи рассеяния радиоволн на полупространстве с рассеивающими неоднородностями в скалярном приближении однократного рассеяния.

Представлено решение обратной задачи восстановления распределения неоднородностей на основе информации о рассеянном поле, в приближении сильно преломляющей среды с помощью фокусировки сверхширокополосного излучения в приповерхностные точки среды на каждой частоте.

Далее в главе проводится численное и аналитическое исследование точности предложенного метода восстановления распределения неоднородностей. Представлены результаты аналитических расчетов и численного моделирования аппаратной функции системы, то есть отклика системы на точечный рассеиватель в частотной и временной областях. Получено, что при сильном преломлении высокая локализация аппаратной функции, достигнутая на поверхности среды благодаря фокусировке, сохраняется и на глубине.

Приводятся аналитические оценки разрешающей способности системы для заданного диапазона частот и области перемещения приёмопередающей антенны.

Предложен метод наклонной фокусировки рассеянного излучения, позволяющий сканировать среду под разными углами и обнаруживать негоризонтальные участки рассеивающих объектов. Проведено численное моделирование аппаратной функции системы при наклонной фокусировке.

Показана возможность фокусировки и восстановления распределения неоднородностей за пределами области перемещения антенн.

Рассматривается случай применения предложенного метода при неподвижной передающей антенне и использовании приёмной антенной решётки.

На примере численных моделей показана возможность применения метода синтезирования в случае использования сигналов с линейной частотной модуляцией.

В третьей главе предлагаются методы бесконтактного определения коэффициента преломления среды.

Излагается возможность определения фонового коэффициента преломления среды на основе метода наклонной фокусировки. Основная идея метода заключается в том, что преломление на границе раздела сред приводит к изменению угла сканирования среды. Это изменение можно определить по линейному искажению восстанавливаемого изображения рассеивающих неоднородностей относительно изображения, полученного при вертикальном сканировании. Приводится оценка точности метода определения коэффициента преломления.

Описана также методика определения коэффициента преломления по дифракционным гиперболам при бесконтактном зондировании. С помощью аналитических расчетов в различных приближениях показана возможность применения данного метода.

В четвёртой главе представлена экспериментальная установка и методика измерений. Приводится описание проведённых экспериментов. Представлены результаты обработки экспериментальных данных, результаты, подтверждающие работоспособность предложенных методов.

Для проверки метода наклонной фокусировки при синтезировании апертуры, был проведён эксперимент с наклонной металлической пластиной, помещённой в песок.

В главе приводятся результаты экспериментов по определению коэффициента преломления песка. Результат определения коэффициента преломления методом наклонной фокусировки сравнивается с результатами, полученными в эксперименте с уголковыми отражателями.

Приведены результаты обработки методом синтезирования экспериментальных данных, полученных при использовании сигналов с линейной частотной модуляцией.

Описывается программное обеспечение, разработанное на основе предложенных алгоритмов.

4.8. Основные выводы

Создано программное обеспечение для метода решения задачи восстановления распределения неоднородностей, предложенного в главе 2. Благодаря использованию алгоритма быстрого преобразования Фурье, созданное программное обеспечение позволяет обрабатывать данные сверхширокополосного многопозиционного радиозондирования в реальном масштабе времени.

Обработка данных натурного эксперимента по сверхширокополосному радиозондированию пластиковых противопехотных мин и тестовых объектов в песке подтвердила работоспособность созданного метода восстановления распределения неоднородностей.

Проведён эксперимент с не горизонтально расположенной металлической пластиной в песке. Подтверждена возможность визуализации негоризонтальных рассеивающих плоскостей методом наклонной фокусировки.

Бесконтактно определён коэффициент преломления сухого песка методом невертикального сканирования, описанным в главе 3. Полученный результат согласуется с априорной информацией о глубине залегания рассеивающих объектов и времени возвращения рассеянного сигнала.

Разработанное программное обеспечение не предъявляет высоких требований к вычислительным ресурсам и позволяет обрабатывать данные зондирования в реальном масштабе времени на персональных компьютерах с частотой процессора 1 ГГц и объёмом оперативной памяти 256 Мбайт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В приближении однократного рассеяния и сильного преломления решена задача восстановления распределения неоднородностей, скрытых под плоской границей раздела сред, по результатам многопозиционного сверхширокополосного радиозондирования на основе метода синтезирования с фокусировкой измеренного рассеянного поля в заданную приповерхностную точку. Использование интеграла свёртки позволяет реализовать синтезирование с фокусировкой для каждой точки поверхности зондируемой области.

Численные и аналитические расчеты аппаратной функции показали, что приближение сильного преломления применимо и для сред с конечным коэффициентом преломления, но до некоторой глубины. Предложенный на этой основе метод многочастотного синтезирования эффекта фокусировки эквивалентен зондированию неоднородностей среды узким вертикально коллимированным пучком. Во временной области предложенный метод эквивалентен зондированию среды коротким пространственно локализованным радиоимпульсом, распространяющимся в пределах квазицилиндрической области. Показано, что разрешающая способность системы определяется главным образом полосой частот зондирующего сигнала и размером синтезируемой апертуры.

Приведённые результаты обработки экспериментальных данных радиозондирования среды с тестовыми неоднородностями подтверждают работоспособность предложенного метода. Показано, что при использовании полосы частот от 0.5 до 17 ГГц достигнутая точность восстановления приблизительно равна 1 см. Программная реализация предложенного метода на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье позволяет проводить обработку данных зондирования в реальном масштабе времени.

Предложено обобщение метода синтезирования на случай наклонной фокусировки, позволяющий проводить невертикальное сканирование среды. Наклонная фокусировка обеспечивается благодаря смещению точки фокусировки относительно центра синтезируемой апертуры. Экспериментально, путем обработки данных СШП радиозондирования с не горизонтально ориентированной металлической пластиной, погруженной в песок, подтверждена возможность визуализации негоризонтальных поверхностей рассеивающих объектов. Теоретически и экспериментально показана возможность использования наклонной фокусировки для восстановления подповерхностных неоднородностей за пределами области перемещения антенн.

Предложен новый метод бесконтактного определения коэффициента преломления среды на основе метода наклонной фокусировки. Приводятся результаты определения коэффициента преломления на численных моделях и натурных экспериментах. Предложена оценка погрешности определения коэффициента преломления.

Бесконтактный метод определения среднего коэффициента преломления среды не использует априорную информацию о расположении рассеивающих объектов в среде, но для его работы необходимо наличие как минимум двух рассеивателей на различных глубинах, либо одного рассеивателя при фиксированной высоте антенн над поверхностью среды.

Предложено обобщение известного метода дифракционных гипербол для определения коэффициента преломления на случай бесконтактного локационного зондирования импульсным излучением. Полученные аналитические соотношения для определения коэффициента преломления в приближении большого и малого удаления положения антенны от рассеивателя проверены результатами численного моделирования.

На основе численного эксперимента дано обобщение метода синтезирования для случая сканирования только приемной антенной и фиксированной засветки исследуемой области с использованием неподвижной передающей антенны.

Предложено обобщение метода восстановления распределения неоднородностей для случая использования сигналов с линейной частотной модуляцией. Применимость разработанного алгоритма подтверждается результатами обработки данных численных и натурных экспериментов.

Разработанные математические модели и алгоритмы могут быть использованы для исследования более сложных систем и сред. Полученные практические результаты могут быть использованы для создания перспективных систем поиска диэлектрических противопехотных мин, в георазведке и археологии, для создания систем радиовидения в непрозрачных и мутных средах, для разработки скрытых систем антитеррора и безопасности в аэропортах и других общественных местах.

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

2. Harman S.E., Erlingsson В., Gjessing Y. Estimate of the subglacier dielectric constant of an ice shelf using a ground-penetrating step-frequency radar. //IEEE transactions on geoscience and remote sensing. Vol.36. N.2, march, 1998.

3. Комаров С.А., Миронов B.JI. Микроволновое зондирование почв. -Новосибирск: научно-издательский центр СО РАН, 2000. 289 с.

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, Т.8, Электродинамика сплошных сред. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1982.-621 с.

5. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. -Т. 1. М.: Мир. 1981.- 281 с.

6. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. -Т.2. М.: Мир. 1981.- 323 с.

7. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1967.-548 с.

8. Hyoung-sun Youn, Chi-Chih Chen, Neural Detection for Buried Pipe Using Fully Polarimetric GPR, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 303-306.

9. Druchinin S.V. Numerical Modeling of Propagation of Georadar Pulses Through Conducting Soil and Reflection From Various Objects, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 33-36.

10. Sang-Wook Kim, Se-Yun Kim, The effective hybrid PSTD/FDTD method for borehole radar simulation including water-filled tunnel, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 37-40.

11. Burton B.L., Olhoeft G.R., Powers M.H. Frequency Spectral Analysis of GPR Data over a Crude Oil Spill, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 267-270.

12. Allred В. J., Fausey N. R., Chi-Chih Chen, Peters L., Youn H-S. GPR Detection of Drainage Pipes in Farmlands, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands.-P. 307-310.

13. Shihab S., Al-Nuaimy W., Eriksen A. Radius Estimation For Subsurface Cylindrical Objects Detected By Ground Penetrating Radar, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 319-322.

14. Guasch J. F. A Novel 3-D Subsurface Radar Imaging Technique, IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing. Vol. 40. N.2, February 2002.-P. 443-452.

15. Powers M. H., Oden C. P. Migration of Dispersive GPR Data, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 333-336.

16. Chubinsky N. Real method for the description of the GPR performances, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 41-44.

17. Никольский B.B., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1989. -544 с.

18. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. -М.: Наука,-1990.

19. Вайнштейн JI. А. Электромагнитные волны.-М.: Радио и связь.-1957.-440 с.

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

21. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1980. -304 с.

22. Tavlov A., Hagness S.C. Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Boston, London, Artech House, 2000.

23. Tavlov A. Advances in computational electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Boston, London, Artech House, 1998.

24. Yee K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media.- IEEE Trans. Antennas and propagation. 1966, Vol.14, N.5, -P. 302-207.

25. Bergner J.P. Three-dimensional perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves. Journal Computational Physics, - 1996, Vol.127,-P. 363 -379.

26. Holzrichter M.W., Sleefe G.E. Resolution Enhancement of Landmines in Ground Penetrating Radar Images//In Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V. -2000. -P. 1160-1170.

27. Gaunaurd G.C., Nguyen L.H. Detection of land-mines using ultra-wideband radar data and time-frequency signal analysis // IEE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol. 151, N. 5, October 2004 -P. 307-316.

28. Reed S., Petillot Y., Bell J. Automated approach to classification of mine-like objects in sidescan sonar using highlight and shadow information // IEE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol. 151, No. 1, February 2004 -P. 48-56.

29. Hoffmann G. Pattern recognition of multiple signals from ground penetrating radar for metal and plastic objects // IEE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol. 151, No. 2, April 2004-P. 91-99.

30. Costantini M., Farina A., Zirilli F. A fast Phase Unwrapping algorithm for SAR Interferometry, IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing, vol. 37, N.l, January 1999. -P. 452-460.

31. Ostrov D. N. Boundary conditions and fast algorithms for surface reconstructions from synthetic aperture radar data. IEEE transactions on geoscience and remote sensing, vol. 37, No. 1, January 1999. -P. 335-346.

32. Brown R., Genello J., Lynch D., Norgard J., Wicks M., Kapfer R., Amuso V. System Survey of Deep Penetrating Radar, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 179-182.

33. Wang J., Liu X., Zhou Z. Minimum-entropy phase adjustment for ISAR // IEE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol. 151, No. 4, August 2004 P. 203-209.

34. Gu K., Wang G., Li J. Migration based SAR imaging for ground penetrating radar systems // IEE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol. 151, No. 5, October 2004 -P. 317-325.

35. Rigling B.D., Moses R.L. Flight path strategies for 3-D scene reconstruction from bistatic SAR // 1EE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol. 151, No. 3, June 2004 -P. 149-157.

36. Soldovieri F., Leoneb G., Liseno A., Tartaglioned F., Pierri R. "Lineartomo-graphicinversion of stepped-frequencyGPRdata:experimental results on two test-sites" // Int. J. Electron. Commun. (AEU) 59 (2005) -P. 329 336.

37. Ботраков Д.О., Тарасов M.M. Алгоритм решения обратных задач рассеяния на основе принципа максимума Понтрягина. Радиотехника и электроника, 1999, т. 44, № 2, с. 137-142.

38. Гринёв А.Ю., Зайкин А.Н., Чебаков И.А. Применение метода вычислительной диагностики в задачах подповерхностного радиозондирования. Радиотехника, 2001, № 3, с. 21-27.

39. Grinev A.Yu., Gigolo A.I., Chebakov I.A. Solution of the inverse problem of subsurface radiolocation. 4-th International Conference on Antenna Theory and Techniques, Sevastopol, Ukraine, 2003, 9-12 September. -P. 523 - 526.

40. Meincke P. Linear GPR Imaging Based on Electromagnetic Plane-Wave Spectra and Diffraction Tomography //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 55-58.

41. Sai В., Ligthart L.P. Improved GPR data preprocessing for detection of various land mines //In Eighth Intl. Conference on Ground Penetrating Radar, 2000. -P. 1-5.

42. Юфряков Б.А., Суриков B.C., Сосулин Ю.Г., Линников O.H. Метод интерпретации данных радиолокаторов подповерхностного зондирования, // Радиотехника и электроника, 2004. Т.49, № 12. -С. 1436-1451.

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

44. Valle S., Zanzi L., Lentz H., Braun H.M. Very high resolution radar imaging with a stepped frequency system, //in Eighth int/. Conference on Ground Penetrating Radar, 2000. -P. 464-470.

45. Morrow I. L., Piet van Genderen. Effective Imaging of Buried Dielectric Objects, IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing. Vol. 40. No. 4, April 2002. -P. 943-949.

46. 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.

47. Gunatllaka A.H., Baertlein B.A. A subspace decomposition technique to improve GPR imaging of anti-personnel mines, //In Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V, 2000. -P. 1008-1018.

48. Chignell R. J., Hatef M. LOTUS A Real Time Integrated Sensor Suite for Anti-Personnel Mine Detection, incorporating the MINEREC GPR. //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 665-668.

49. Moussally G., Breiter K., Rolig J. Wide-Area Landmine Survey and Detection System //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21 -24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 693-696.

50. Shrestha S.M., Arai I., Tomizawa Y. Landmine detection with GPR using super resolution signal processing algorithm, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 705-708.

51. Phelan M., LoVetri J. Discrimination of Subsurface Targets with a Plane of Symmetry using Polarimetric Bistatic Radar, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 49-52.

52. Pauli M., Fischer C., Wiesbeck W. Mine-Detection Using a Multistatic Antenna Setup and Non-Linear Inversion, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P.83-85.

53. Tanaka R., Sato M. A GPR System Using a Broadband Passive Optical Sensor for Land Mine Detection, //Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands. -P. 171-174.

54. Суханов Д.Я., Суханов А.Я. Метод итерационной настройки многослойной нейронной сети на основе метода наименьших квадратов. // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. №2 (10), 2004. -С. 111-116.

55. Суханов Д.Я., Моисеенко H.A. Моделирование рассеяния сверхширокополосного излучения в лесу // XLI Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс». Физика/Новосиб. гос. Ун-т. Новосибирск, 2003. -С. 106.

56. 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.

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

58. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Цепелёв Г.М., Клоков A.B., Моисеенко H.A., Новик С.Н., Суханов Д.Я., Якубова О.В. Радиолокационная томография // Оптика атмосферы и океана. 2006. -Т. 19, №12. - С. 1081-1086.

59. Якубов В.П., Суханов Д.Я. Метод фокусировки в подповерхностной локации // VII Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2004, 2124 сентября, Новосибирск. 2004. - С. 13-17.

60. Суханов Д.Я. Моделирование оптической системы с линзой // Межрегиональная научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР». 14-16 мая 2002. Томск. -2002.-С. 48-50.

61. Суханов Д.Я., Суханов А.Я. Повышение разрешения изображений, полученных в условиях расфокусированной оптической системы // Материалы конгресса «Практикующий врач». Сочи. Академия естествознания, 1-4 октября 2002. С. 112

62. Федорюк М.В. Метод перевала. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1977. - 368 с.

63. Суханов Д.Я., Якубов В.П. Оценка разрешающей способности в подповерхностной радиотомографии // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. №4 (12), 2005. -С. 84-89.

64. Суханов Д.Я., Якубов В.П. Метод наклонной фокусировки в подповерхностной радиолокации // Журн. техн. физики. 2006. - Т.76, вып. 7. -С. 64-68.

65. Суханов Д.Я., Якубов В.П. Бесконтактный метод измерения электрофизических свойств грунта с использованием сверхширокополосного излучения // Изв. вузов. Физика. 2006. - №9. Приложение. - С. 58-61.

66. Суханов Д.Я., Якубов В.П., Омар A.C. Метод дифракционных гипербол для бесконтактного определения коэффициента преломления среды // Изв. вузов. Физика. 2006. - №9. Приложение. - С. 62-66.

67. Суханов Д.Я. Дифференциальные методы обработки изображений // Труды региональной научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники СПР-2001». 26-30 ноября, 2001. Новосибирск. С. 55-56.

68. Денисенко А.Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. -704 с.