Трёхмерное радиовидение на основе измерения амплитуды поля интерференции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Завьялова Ксения Владимировна

ТРЁХМЕРНОЕ РАДИОВИДЕНИЕ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ПОЛЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

01.04.03 — Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск-2014 0050»^

6 НОЯ 2014

005554413

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», на кафедре радиофизики.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, про-

фессор Якубов Владимир Петрович Научный консультант: кандидат физико-математических наук

Суханов Дмитрий Яковлевич

Официальные оппоненты:

Аксенов Валерий Петрович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, лаборатория оптической локации, ведущий научный сотрудник

Юрченко Алексей Васильевич, доктор технических наук, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», научно-исследовательская лаборатория физики солнечных элементов кафедры информационно-измерительной техники, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академия наук

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 16 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, ауд.119.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на официальном сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ: http://www.tsu.ru/content/news/announcement_of_the_dissertation_in_the_tsu.php

Автореферат разослан « 24 » октября 2014 г.

Ученый секретарь -

диссертационного совета ф Пойзнер Борис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Системы радиовидения или радиотомографии в миллиметровом и терагерцовом диапазоне в настоящее время имеют множество перспективных приложений: от контроля качества различных материалов, конструкций и сооружений, медицинской диагностики до систем обеспечения безопасности в виде досмотра пассажиров и багажа.

Под радиовидением понимается метод получения видимого изображения объектов с помощью радиоволн (отраженных или излучаемых). С помощью радиовидения осуществляется послойное дистанционное неразрушающее изучение внутренней структуры объектов, непрозрачных в оптическом диапазоне волн и наблюдения объектов, находящихся в оптически непрозрачной среде (полупрозрачной для радиоизлучения). Для радиовидения обычно используют радиоволны миллиметрового (от 30-300 ГГц, длина волн 1-10 мм) и сантиметрового (от 3-30 ГГц, длина волн 10-100 мм) диапазонов, что позволяет различать на восстановленном изображении достаточно мелкие детали структуры объекта. Информация о строении и состоянии объектов исследуемой среды, которую несут в себе излученные (пассивное радиовидение) или рассеянные (активное радиовидение) радиоволны, содержится в распределении амплитуды (интенсивности) и фазы радиоволн. Основная задача радиовидения — извлечь информацию о рассеивающих объектах из волнового поля и отобразить её в виде изображения, послойно восстановить структуру и распределение неодно-родностей в среде. Это достигается с помощью применения специальных приборов и методов (технологий) обработки (восстановления) изображения объектов. При этом следует отметить, что длина волны в радиовидении соизмерима или меньше размеров исследуемых неоднородностей.

Большинство существующих решений задачи восстановления изображений по результатам зондирования радиоволнами основано на технологии синтеза апертуры, использующей полную информацию о радиоволновом поле (с амплитудой и фазой, которые однозначно описывает монохроматическое поле). Однако применение технологии синтеза апертуры в задачах радиовидения значительно затруднено необходимостью измерения фазы волнового поля, что требует дорогостоящих комплектующих, в частности дорогих высокочастотных смесительных диодов и волноводных СВЧ трактов. В то время как измерение только амплитуды поля технически намного более простая задача, чем измерение фазы или связанных с ней квадратурных составляющих. Именно измерение только амплитуды, без прямого измерения фазы, позволяет значительно удешевить и упростить систему радиовидения. Однако перевод обработки сигналов от аппаратной (аналоговой) части в цифровую с минимизацией набора технических устройств и стремлением уменьшить количество элементов блок схемы какого-либо устройства, тем самым максимально технически упростить систему путём усложнения в цифровой области, ведут к усложнению математической обработки. В данном случае речь идёт о решении одной

из фундаментальных проблем - фазовой проблемы, которая заключается в извлечении (восстановлении) фазовой информации из измеренной интенсивности рассеянного волнового поля. Задача восстановления фазы наблюдаемого поля на основе измерения только его интенсивности возникает во многих областях: физике, в частности, в атмосферной оптике, биофизике (кристаллографии биополимеров), геофизике, астрономии, медицинской визуализации, компьютерной томографии, дистанционном зондировании поверхности Земли, спектральном анализе и в задачах неразрушающего контроля. Использование фазовой информации позволяет выходить на предельно высокое пространственное разрешение, что важно при построении томографических систем. Достигаемое при этом разрешение становится сравнимым с длиной волны используемого излучения, что и определяет дифракционный предел.

В ряде случаев, например, при работе с некогерентным излучением измерение фазы невозможно в принципе. Такая ситуация возникает при использовании радиотеплового излучения или рентгеновского излучений. Здесь можно говорить только об относительных измерениях фазы через измерение результатов интерференции, так называемых, опорной и предметной волн.

Разработка подобных методов и алгоритмов, использующих результаты измерения только амплитуды поля, является актуальной задачей в свете разработки коммерчески доступных, быстродействующих, бесконтактных и безопасных для здоровья человека различных систем зондирования. Актуальность выбранной темы исследования связана еще и с тем, что, в настоящее время, достаточно остро стоит проблема улучшения и усиления мер обеспечения безопасности в различных транспортных системах (аэропорты, вокзалы, метро) и других местах массового скопления людей, в связи с нарастающей террористической угрозой.

Системы радиовидения в миллиметровом и террагерцовом диапазоне могут иметь множество перспективных сфер применения как для всевозможных систем обеспечения безопасности, досмотра людей, багажа, обнаружение запрещенных опасных скрытых предметов, так и для многих отраслей промышленности для контроля качества продукции. Радиоволны сантиметрового диапазона находят широкое применение в подповерхностной радиотомографии для обнаружения скрытых объектов, в частности под землёй. Одной из наиболее критических задач подповерхностной локации является обнаружение мин. Аналогичные методы радиотомографии широко применяются в археологии для обнаружения скрытых под землёй археологических ценностей. Так же подповерхностная радиотомография применяется в коммунальном хозяйстве для обнаружения подземных трубопроводов и для инспекции состояния дорог. Многие алгоритмы и методы подповерхностной радиотомографии были заимствованы из сейсмологии и применяются в геологии. Методы радиотомографии находят применение и в исследовании культурного наследия, например картин.

Но при этом существующие системы радиоволнового досмотра обладают рядом существенных недостатков: дороговизна (порядка нескольких миллионов долларов); неудобство эксплуатации (как правило, требуют установки) и, вследствие этого исключают возможность скрытого сканирования, что было бы актуально для обнаружения и слежения за объектами, труднодоступными или скрытыми за различными предметами, а так же для увеличения пропускной способности систем сканирования; обладают недостаточно высокой скоростью получения изображений (проблема осуществление обработки данных измерений в реальном масштабе времени); некоторые из них имеют медицинские ограничения (не безопасны для человека). Из всего вышесказанного следует, что существует потребность в создании доступных, быстродействующих и дистанционных систем досмотра и обнаружения запрещённых предметов, обладающих возможностью скрытого сканирования и большим ресурсом работы. Сканирование людей должно стать быстрым, безопасным и незаметным.

Предложенные в данной работе алгоритмы и методы восстановления изображений основаны на использовании информации только об амплитуде сигнала в точках приёма, из-за применения несинхронизованных приёмника и передатчика. Под синхронизацией понимается создание общей точки отсчёта времени или фазы в устройстве излучения сигнала и в устройстве приёма сигнала. Так как, в работе рассматриваются случаи, когда зондирование осуществляется монохроматическим излучением со сканированием по частоте в широкой полосе частот, то под критерием синхронизации понимается наличие общей точки отсчёта фазы в приёмнике и передатчике. Вследствие несинхрони-зированности передатчика и приёмника не производится измерения фазы сигнала в точке приёма, что эквивалентно использованию некогерентного во времени излучения.

Стоит отметить, что под трёхмерным радиовидением понимается восстановление трёхмерного числового массива (трёхмерного изображения), описывающего распределение рассеивателей в среде.

Объектом исследования в диссертационной работе являются процессы интерференции, рассеяния и дифракции электромагнитных волн в сверхвысоком частотном (СВЧ) диапазоне и в ближней зоне аппретуры радиозондирующей системы.

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель диссертационной работы — доказать возможность восстановления изображений объектов в радиотомографии без измерения фазы путем разработки методов обработки распределения амплитуды поля.

Задачи:

1. Постановка задачи и разработка схемы измерений.

2. Построение математической модели и решение прямой задачи распространения волн между источником излучения и областью с предполагаемым расположением исследуемого объекта, и определение амплитуды рассеянного

волнового поля в плоскости измерений по заданному распределению неодно-родностей.

3. Решение обратной задачи распространения волн между исследуемым объектом и плоскостью измерения амплитуды поля интерференции, то есть определение комплексного волнового поля в плоскости исследуемого объекта по измеренному полю в плоскости сканирующей системы.

4. Разработка алгоритма быстрой обработки измеренных данных интенсивности поля и восстановления изображения объекта.

5. Построение численной модели и проведение численных экспериментов.

6. Разработка лабораторного макета (экспериментальной установки).

7. Проведение экспериментов по измерению амплитуды поля интерференции с различными тестовыми объектами.

8. Анализ полученных в результате численного моделирования и экспериментальных исследований данных и сравнение их с истинным (исходным) изображением объекта

9. Уточнение предложенных схем измерений амплитуды и разработанных методов обработки и восстановления изображений. Подборка оптимальных значений и параметров системы радиовидения.

Методы исследования. Для решения прямых задач были построены математические модели, основанные на аналитических решениях уравнения Гель-мгольца через разложения поля в спектр плоских волн. Рассеяние на объектах рассматривалось в скалярном приближении однократного рассеяния.

Для решения обратных задач используется метод пространственно-согласованной фильтрации (фокусировки).

В численном моделировании распространения радиоволн в однородной среде применяется скалярное представление полей и приближение Кирхгофа. Численное моделирование волновых процессов проводилось в среде Mathcad, С++ и Microwave Studio.

Экспериментальные исследования проводились на калиброванном лабораторном оборудовании, в частности применялся скалярный анализатор цепей научно-производственной фирмы Микран Р2М-18/2, система двухкоординат-ного позиционирования на основе шаговых двигателей ДШИ-200-I-l, с использованием антенн типа «Улитка», разработанные на кафедре радиофизики Томского государственного университета доцентом Ю.И. Буяновым, а также ультразвуковые датчики MA40S4/R.

Положения, выносимые на защиту:

1. Полная трёхмерная томограмма рассеивающих объектов восстанавливаема из пространственного распределения квадратурной составляющей предметной монохроматической волны, получаемой из измеренного распределения амплитуды поля интерференции вычитанием амплитуды опорного сигнала при последовательном многопозиционном моностатическом сканировании на плоскости, и подвергаемой следующим процедурам:

— фокусировке, состоящей в поэлементном домножении восстановленной квадратуры поля на компенсирующий фазовый множитель, описывающий запаздывание фазы волны от излучателя до неоднородности и далее к приёмнику;

— поэлементному взвешенному суммированию на множестве используемых СВЧ частот.

При этом достигаемое пространственное разрешение неоднородностей, расположенных в пределах ближней зоны дифракции Френеля, ограничивается минимальной длиной волны используемого излучение.

2. Изображение рассеивающего объекта размерами больше или порядка длины волны в пределах ближней зоны дифракции Френеля для измерительной системы восстанавливаемо на основе измерений разрежённой матрицей гексагонально расположенных приёмных антенн амплитуды поля интерференции предметных и объектных волн, исходящих от нескольких разнесённых, и поочерёдно включаемых опорных монохроматических источников сферических волн путём:

— обобщенного метода согласованной фильтрации с фокусировкой;

— поэлементного суммирования восстановленных изображений с учетом выравнивания фаз волн для каждого положения активного излучателя.

3. Рассеянное объектом монохроматическое излучение, пропущенное через дифракционную решётку с отверстиями, размером порядка половины длины волны и центральным отверстием размером порядка длины волны, даёт интерференционную картину, обработка пространственного распределения амплитуды в которой методом согласованной фильтрации с фокусировкой восстанавливает амплитудно-фазовое распределение поля в плоскости решётки, а обратная фокусировка полученного поля восстанавливает изображение объекта за решеткой. При этом плотность размещения отверстий должна быть порядка длины волны, способ размещения отверстий несущественен.

Достоверность научных положений и других результатов.

Все принятые приближения (однократного рассеяния, скалярное представление электромагнитных полей, изотропность излучателей) физически и математически обоснованы и находятся в полном согласии с известными положениями теории распространения радиоволн в неоднородных средах.

В ходе работы были проведены аналитические, численные расчёты и экспериментальные исследования. Все разработанные системы радиовидения были смоделированы численно, и показана их работоспособность. Результаты численного моделирования согласуются с результатами эксперимента. Достоверность всех защищаемых положений и других результатов диссертационной работы подтверждается совпадением восстановленного изображения объекта и заданного изображения объекта по результатам численных и экспериментальных исследований. Точность восстанавливаемых изображений определяется разрешающей способностью и составляет не менее половины длины волны используемого излучения.

Достоверность I положения экспериментально подтверждена совпадением восстановленных изображений с формой заданных тестовых объектов с точностью до разрешающей способности системы. Разрешение полученных изображений близко к дифракционному пределу для используемой полосы частот (414 ГГц), который составляет 1 см. Кроме того, в полученном трёхмерном изображении имеется разрешение объектов по дальности. Об этом свидетельствует различение двух объектов: гипсового объекта с общими размерами 15 на 15 см и металлического объекта с общими размерами 30 на 30 см разнесёнными по дальности на 10 см. Теоретическая оценка разрешения по дальности для полосы частот 4-14 ГГц составляет 3 см.

Достоверность II положения подтверждается совпадением заданного изображения объекта и восстановленного изображения объекта путем численного моделирования с точностью до разрешающей способности. Разрешение полученного изображения близко к дифракционному пределу для системы с рассматриваемой апертурой и составляет 15 мм. Проведены экспериментальные исследования с одиночным излучателем, по результатам которых было осуществлено восстановление изображений тестового объекта с точностью до разрешающей способности.

Достоверность III положения подтверждается совпадением полученного в ходе численного моделирования изображения исследуемого объекта с исходным объектом с точностью до разрешающей способности; экспериментальными результатами восстановления точечного источника (в качестве излучателя и приёмника использовались датчики МА4084/Я) по измерениям амплитуды поля через дифракционную решётку (с шагом отверстий 10 мм, размером отверстий 4 мм и квадратным центральным отверстие со сторонами 10 мм) для ультразвуковых волн в воздухе на частоте 40 Гц. Положение ультразвукового излучателя на восстановленном изображении совпадает с его фактическим положением с точностью до разрешающей способности системы (длины звуковой волны).

Научная новизна.

1. Новизна первого положения состоит в осуществлении трёхмерной радиотомографии по измерениям амплитуды поля на различных частотах в широкой полосе путём предложенной обработки сигналов.

2. Новизна второго положения состоит в применении множества опорных источников, разрежённой матрицы приёмников и измерении только амплитуды поля для восстановления плоских радиоизображений.

3. Новизна третьего положения состоит в создании макета дифракционной решётки с особым центральным отверстием для радиотомографии по амплитуде поля дифракции, сформированной решёткой.

Научная ценность определяется:

- Демонстрацией принципиальной возможности получения разрешения по дальности при измерениях только лишь амплитуды поля на различных частотах.

— Вопреки сложившимся представлениям о разреженных фазированных антенных решётках показана возможность восстановления изображения объекта при разрежённых измерениях причём, только при измерении амплитуды.

— Разработанная модель радиовидения для восстановления плоских изображений объектов по разрежённым измерениям амплитуды поля измерительной матрицей открывают путь для дальнейшей разработки методов с разрешением по дальности путем применения СШП сигналов и другими критериями оптимизации матриц приёмных и передающих элементов.

— Содержание третьего положения позволяет выдвинуть как самостоятельную научную задачу диверсификации и оптимизации дифракционных экранов в радиотомографии по амплитудным измерениям. Дальнейшее развитие данного метода может быть направлено на исследование применения сверхширокополосных сигналов с целью получения разрешения по дальности.

Практическая значимость.

Все разработанные методы технически проще и значительно дешевле существующих аналогов, при этом разрешение получаемых изображений сравнимо с теоретическим пределом для широкополосных радиолокаторов с синтезированной апертурой, использующих информацию о фазе. Пространственное разрешение полученных разработанных методов в плоскости, параллельной плоскости сканирования, определяется размерами апертуры (области сканирования) и составляет около 15-20 мм. Разрешение по дальности определяется шириной полосы используемых частот и составляет порядка 3 см.

Все предложенные схемы измерений с заданными параметрами системы реализуемы на недорогой радиоэлектронной элементной базе. Так как отсутствует измерение фазы и, следовательно, не требуется использование дорогостоящих высокочастотных СВЧ устройств (смесителей, волноводных трактов, антенных решёток).

Плоская геометрия разработанных методов позволяет размещение их, к примеру, в стене из радиопрозрачного материала обеспечивая скрытое сканирование.

Использование матриц измерений амплитуды поля совместно с разработанными алгоритмами обработки полученных данных позволяет осуществлять измерения интенсивности в режиме реального времени и тем самым решить вторую по значимости, после цены, проблему существующих радиотомографов - низкая скорость сканирования из-за использования механического сканирования.

Спектр применения подобных метод весьма широк: дефектоскопия, контроль качества диэлектрических материалов, досмотровые системы безопасности.

Внедрение результатов диссертации н рекомендации по их использованию.

По теме диссертации имеется патент на полезную модель совместно с кандидатом физико-математических наук Сухановым Д. Я. «Радиоголографиче-

ский сверхширокополосный томограф» регистрационный № 2014108126 от 03.03.2014 г.

Автор входит в состав исполнителей ряда научно-исследовательских работ и проектов. Результаты работы были использованы при выполнении следующих 7 грантов, по которым в рамках Научно-образовательного центра «Технологии безопасности» (НИЧ ТГУ) и Научно-образовательного центра «Радиофизика и радиоэлектроника (СФТИ ТГУ) написано 18 отчетов о НИР:

Результаты были использованы при выполнении следующих проектов:

1. АВЦП «Физико-математическая модель радиолокационного томографа» № 2.1.2/12874 и № 2.1.2/3339 на 2010-2012 годы. Руководитель: д.-р физ.-мат наук, профессор В.П. Якубов.

2. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, мероприятие 1.3, ГК от 03 сентября 2009 года № П1468: «Разработка методов радиовидения скрытых объектов». Руководитель: доцент, канд. физ.-мат. наук Суханов Д.Я.

3. НИР «Фокусировка волновых процессов проекций неоднородных сред в сверхширокополосной радиотомографии скрытых объектов», Тематический план ТГУ 2009-2011 гг. Шифр 1.10.09. Руководитель: д.-р физ.-мат наук, профессор В.П. Якубов.

4. НИР «Радиоволновой томосинтез неоднородных сред и объектов» Тематический план ТГУ 2012-2014 гг. Per. Номер НИР: 7.3747.2011. № гос. регистрации 01201257789. Руководитель: д.-р физ.-мат наук, профессор В.П. Якубов.

5. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. ГК от 06 сентября 2010 года № 14.740.11.0076: «Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры». Руководитель: д.-р физ.-мат наук, профессор В.П. Якубов.

6. РФФИ на 2012-2013 годы проект № «12-02-31470 мол_а» «Восстановление трёхмерных радиоизображений на основе многопозиционных измерений интенсивности поля». Договор (соглашение) № 12-02-31470М2 от 3 октября 2012 года. Руководитель: канд. физ.-мат. наук Суханов Д.Я.

7. РФФИ на 2013-2014 годы проект № «13-02-98025 р_сибирь_а» «Фундаментальные ограничения в ближнеполевой электродинамике сложных излучающих систем». Договор (соглашение) № 13-02-98025\13 от 27 августа 2013 года. Руководитель: д.-р. физ.-мат. наук Беличенко В.П.

Под непосредственным руководством автора были выполнены следующие проекты (НИОКР):

1. "Разработка лабораторного макета установки трёхмерного радиовидения на основе измерения только амплитуды поля за дифракционной решёткой» договор № 4/13125 от 14 января 2011 года с ООО «ТРИУМФ», государственный контракт № 8691р/13125 от 14 января 2011 г.

2. "Разработка лабораторного макета установки трёхмерного радиовидения на основе измерения только амплитуды поля на различных частотах в широкой полосе" договор № 3/14240 от 11 января 2012 года с ООО «ТРИУМФ», контракт № 9902р/14260 от 11.01.2012 г.

3. Программа развития деятельности студенческих объединений Национального исследовательского Томского государственного университета "Инновации и творчество" на 2012-2013 гг., "Конкурс проектов студенческих конструкторских, исследовательских бюро и лабораторий", протокол от 03.06.2013. Название проекта: "Разработка технологий трёхмерного радиовидения, бесконтактной ультразвуковой дефектоскопии и магнитной томографии", 2013 год.

Апробация результатов исследований. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на III Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике - СРСА 2010» - (Муром, 2010); на II, III и V Научно-практических конференциях с международным участием «Информационно-измерительная техника и технологии» — (Томск, 2011, 2012, 2014); на шестой, седьмой и восьмой конференциях студенческого научно-исследовательского инкубатора — (Томск,

2009, 2010 и 2011); на третьей, четвертой и пятой Международных научно практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» - (Томск,

2010, 2012 и 2013); на 15 Международной конференции «Ground Penetrating Radar - (GPR 2014) » - (Brussels, Belgium, 2014); на 24-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» - (КрыМиКо'2014) - (Севастопль, 2014); на VXII Международной научно-практической конференции "Естественнные и математические науки в современном мире" - (Новосибирск, 2014)

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, среди которых 7 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне Высшей аттестационной комиссией (из них 5 статей в журналах, включенных в библиографические базы Web of Science и Scopus), 13 публикаций в материалах международных, всероссийских, научно практических и региональных конференциях, патент на полезную модель, регистрационный № 2014108126 от 03.03.2014 г.

Личное участие автора.

Все основные теоретические и практические результаты диссертационной работы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии в качестве основного исполнителя. Так автором диссертации проведены: постановка задач, определение схем измерений, построение численных моделей решения прямых, разработка алгоритмов решения обратных задач, построение конструкций лабораторных макетов, подборка комплектующих, проведение экспериментов с использованием радио и ультразвуковых волн, а также анализ полученных результатов диссертации.

Определение направления и выбор методов исследований осуществлено научным руководителем профессором Якубовым Владимиром Петровичем. Совместно с научным консультантом доцентом Сухановым Дмитрием Яковлевичем проведены: численное моделирование с применением пакета программ CST Microwave, обсуждение идей и методов постановки и методики проведения экспериментальных и теоретических исследований. Научный консультант является соавтором всех основных публикаций автора диссертации.

Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю и научному консультанту за большую непосредственную помощь в выполнении диссертационной работы, а также всему коллективу кафедры радиофизики ТГУ за внимание и полезные обсуждения в ходе работы над диссертацией.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 98 наименований. Материал изложен на 160 страницах, содержит 80 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приводится поаспектная характеристика диссертационной работы: актуальность выбранной темы, объект, цель, задачи, методы и предмет исследования, научные положения, обоснование достоверности истинности полученных положений и результатов, их научной и прикладной значимости.

В первой главе изложены основные математические модели распространения радиоволн, использующиеся в диссертации [1*]. Рассмотрены основные физические процессы, которые необходимо принимать во внимание, при решении задач радиотомографии: распространение радиоволн в однородной среде, теория однократного рассеяния [2*], дифракции волн [3*, 4*]; основные методы зондирования среды (локационная схема зондирования, трансмиссионная схема зондирования, радар бокового обзора с синтезированной апертурой [5*-8*], применение фазированных антенных решёток). Рассмотрены методы, используемые при обработке результатов измерений рассеянного поля для восстановления распределения неоднородностей, предложенные ранее другими исследователями (метод пространственно-согласованной фильтрации [9*], метод миграции во временной области [10*], метод Столта [11*], метод обратного распространения поля); так же приведены способы оценки разрешающей способности [12*] (оценка пространственного разрешения и оценка разрешения по дальности). Кратко рассказано о радиоголографических методах исследования [13*] и сделаны выводы.

Во второй главе предлагается радиоголографический метод получения трёхмерных радиоизображений, основанный на измерении амплитуды интерференционной картины опорного и предметного сигналов на различных частотах в широкой полосе, а также быстрый алгоритм обработки данных измере-

ний для восстановления трёхмерных радиоизображений. Предполагается, что излучающая и приёмная антенны располагаются на фиксированном расстоянии друг от друга и вместе перемещаются на плоскости (рисунок 1). Прямой сигнал от излучающей антенны в приёмную является опорным сигналом и интерферирует с сигналом, рассеянным объектами в среде (предметный сигнал). На выходе приёмной антенны измеряется амплитуда суммарного сигнала (рисунок).

Рисунок 1 — Схема измерений

На выходе приёмной антенны измеряется амплитуда суммарного сигнала (рисунок 2).

Рисунок 2 - Результаты измерений амплитуды поля на частоте 10 ГГц (а) и

частоте 15 ГГц (б)

Представлено решение прямой задачи в приближении однократного рассеяния. Предложен метод извлечения распределения фазы предметного сигнала с точностью до ±л/2, который состоит в вычитании интенсивности опор-

ного сигнала из интенсивности измеренного сигнала с последующим домна-жением на фазовый множитель, определяющийся фазовым набегом волны от источника к приёмнику.

Далее на основе извлеченной фазовой информации с помощью метода пространственно-согласованной фильтрации осуществляется восстановление изображений рассеивающих объектов. Предложен быстрый алгоритм восстановления трёхмерных изображений на основе трёхмерного преобразования Фурье при обработке данных сверхширокополосного зондирования. Показана работоспособность предложенного метода и приведены результаты обработки по восстановлению изображений рассеивающий объектов. Приведены результаты экспериментальных исследований для монохроматических и сверхширокополосных сигналов (рисунок 3-4).

-20 0 х, ст

0

х, ст

а б

Рисунок 3 - Результат восстановления изображений тестовых объектов (а — объект из гипса размерами 15 см на 15 см на дальности 36 см, - объект из металла размерами 30 см на 30 см на дальности 56 см)

-40 -20 0 20 40

х, ст

Рисунок 4 — Результат восстановления изображения металлического тестового объекта размерами 15 см на 15 см на расстоянии 46 см. В третьей главе предложен метод восстановления плоских изображений рассеивающих объектов на основе измерений амплитуды поля разреженной

матрицей приёмных антенн и нескольких опорных изотропных излучателей (рисунок 5).

Исследуемый объект

Точки измерения интенсивности

Рисунок 5 - Предлагаемая схема измерений Предлагается оптимизированная геометрия размещения излучателей и приёмников в гексагональной сетке (рисунки 7,6). Задача оптимизации матриц излучателей и приёмников состоит в варьировании функции, описывающей положение приёмных элементов, и функции, описывающей положение излучателей, для того чтобы реакция на точечный рассеиватель имела единственный максимум в центе с наибольшей локализацией. Приводятся результаты численного моделирования с множеством излучателей, а также результаты экспериментальных исследований с одиночным излучателем (рисунки 8-11).

-60 -40 -20 0 20 40 60 х, см

Рисунок 6 - Матрица из 270 приёмных элементов

-60 -40 -20 0 20 40 60

х, см

Рисунок 7 — Матрица из 36 излучающих элементов

-60 -40 -20 0 20 40 60

х, см

Рисунок 8 - Изображение исследуемого объекта

-60 -40 -20 0 20 40 60 х, см

Рисунок 9 - Интенсивность поля интерференции предметного и опорного сигналов в области измерений от одного источника

60 40 20 0 -20

-60

-60 -40 -20 0 20 40 60

X, см

Рисунок 10 - Восстановленное изображений точечного рассеивателя на дальности 70 см.

60 40 20 о -20 -40 -60

-60 -40 -20 0 20

X, см

40 60

Рисунок 11 — Восстановленное изображение тестового объекта

Изображение восстанавливается путём последовательного применения обобщенного метода согласованной фильтрации с фокусировкой и поэлементного суммирования восстановленных изображений с учетом выравнивания фаз волн для каждого положения активного излучателя.

В четвёртой главе представлен метод восстановления амплитудно-фазового распределения поля, падающего на дифракционный экран по изме-

рениям распределения амплитуды поля дифракции за экраном (рисунок 12). Экран представляет собой дифракционную решётку с отверстиями размерами менее полдлины волны, шагом размещения полдлины волны и центральным отверстием размерами больше или сравнимо с длиной волны.

О')

Рисунок 12 - Схема измерений (1 - матрица датчиков измеряющих амплитуду поля, 2 - дифракционная решётка, 3 - сторонний источник, 4 - исследуемый

объект)

Предложен метод восстановления изображений рассеивающих объектов на основе восстановленного поля, падающего на дифракционный экран. Рассмотрен случай использования стороннего источника излучения и собственного источника излучения. Для собственного сверхширокополосного источника предложен метод восстановления трёхмерных изображений, который был проверен путём численного моделирования (рисунок 13).

Рисунок 13 — Результат восстановления изображения исследуемого плоского объекта на одной частоте / = 20 ГГц — 2.5 а и после суммирования по всем частотам в полосе 20 — 60 ГГц — 2.5 б Для стороннего монохроматического источника были проведены экспериментальные исследования на ультразвуковых волнах в воздухе на частоте 40 кГц (рисунок 14-15). _

20

10 8 о -10

-20

10 20

Рисунок 14 - Амплитуда поля в области измерений на частоте 40 кГц

Рисунок 15 — Восстановленное поле в плоскости дифракционной решётки

ю о -ю

*- ' ' ' Л

ИчЖЙ

г«»

- - < :

щ^шщшт

»«И » 9-5% « ! М

5 - ■ '

-10 О

х, см

а ® , ' .

__

ю

20

Рисунок 16 — Восстановленное изображение источника (а — излучатель в центре, б - излучатель смещён от центра) В пятой главе предложен метод изображений плоских объектов по измерения амплитуды поля без использования опорного сигнала. Рассматривается как трансмиссионный так и локационный случаи зондирования (рисунки 1718).

Рисунок 17 — Схема трансмиссионных измерений

Рисунок 18 - Схема локационных измерений Предложенный метод является итерационным и основан на начальном приближении о том, что фаза волны в плоскости объекта известна и известна амплитуда волны в плоскости измерений. Трансмиссионная схема зондирова-

ния проверена экспериментально на ультразвуковых волнах в воздухе на частоте 40 кГц (рисунок 19).

л\ см

Рисунок 19 - Результаты восстановления изображений исследуемого объекта итерационным методом и методом синтезирования апертуры ^(х) - результат, полученный итерационным методом, и(х) - результат, полученный методом синтезирования апертуры, М(х) - маска прозрачности плоского объекта в виде плоского экрана из параллельных полосок различной толщины) Локационная схема зондирования была проверена путём численного моде-

Рисунок 20 — Результат восстановления изображения плоского экрана при использовании сканирования по частоте в диапазоне 70 - 100 ГГц (М(х) - маска коэффициента отражения плоского объекта в виде плоского экрана из параллельных полосок различной толщины)

В заключении приводятся основные результаты и выводы работы.

В приложении приводится сертификат патента на полезную модель.

Основные результаты работы:

1. Предложен метод трёхмерного голографического радиовидения на ос нове двумерного сканирования моностатическом системой связанных приём ной и передающей антенн, осуществляющих зондирование среды монохрома

тическими сигналами и измерение амплитуды поля. Предложен метод восстановления фазы предметного сигнала с точностью до ±л/2 . За счёт последовательного сканирования по частоте в широком диапазоне частот достигается разрешение по дальности. Экспериментально показана возможность получения радиоизображений с разрешением около I см в плоскости и 3 см по дальности на основе измерения только амплитуды сигнала в диапазоне частот от 8 до 18 ГГц.

2. Предложен метод топографического радиовидения на основе измерений интенсивности поля заполненной матрицей приёмных элементов с применением сферического источника волн. Проведено численное моделирование и экспериментальные исследования предлагаемой системы. Показано, что предложенный радиоголографический метод позволяет получать плоские изображения объектов даже на одной частоте, без широкополосного сканирования, по результатам измерения амплитуды волнового поля. Получаемое разрешение близко к дифракционному пределу, получаемому системами, использующими фазовую информацию. Данный метод может найти применение в системах радиовидения в ближней зоне. Также может использоваться в случае пассивной радиолокации при использовании, в качестве источника излучения -солнечного излучения в террагерцовом диапазоне.

3. Предлагается радиоголографический метод восстановления радиоизображений на основе разреженных измерений интенсивности поля интерференции опорного и предметного сигналов. Используется несколько источников, облучающих исследуемый объект и область измерений с разных сторон. Источники включаются по очереди, что позволяет увеличить объём информации о рассеивающих объектах. Приводятся результаты численного моделирования и оценка разрешающей способности. На предложенную схему измерений получен патент на полезную модель.

4. Предложен метод получения трёхмерных радиоизображений на основе измерения амплитуды поля за дифракционной решеткой, расположенной между исследуемым объектом и плоскостью измерения амплитуды. Представлены результаты численного моделирования для радиоволн и экспериментальных исследований для ультразвуковых волн в воздухе. Разработан быстродействующий алгоритм решения обратной задачи для осуществления обработки данных измерений в реальном масштабе времени. Многопозиционные измерения амплитуды поля за дифракционной решёткой, без измерения фазы, позволяют восстановить амплитудно-фазовое распределение поля в плоскости дифракционной решётки. При этом фаза определяется относительно одного го отверстий решётки (опорное отверстие). Чем больше амплитуда поля, проходящего через опорное отверстие решётки, тем точнее восстановление фазы в остальных отверстиях. Преимущество использования дифракционной решётки состоит в возможности использования сторонних источников излучения.

5. Предложен метод трансмиссионного и локационного радиовидения плоских объектов с использованием некогерентного во времени радиоволно-

вого излучения на основе итерационного алгоритма восстановления распределения коэффициента рассеяния или пропускания плоского объекта. Метод проверен путём численного моделирования и экспериментально на ультразвуковых волнах в воздухе на частоте 40 кГц. Рассмотрен случай, когда дифракция волн существенно влияет на амплитуду поля за объектом. Итерационный алгоритм сходится к решению, которое приближённо совпадает с изображением объекта, и даже при неизвестной фазе позволяет получать результаты сравнимые с методами, использующими фазовую информацию. Разрешение метода определяется размером синтезируемой апертуры и длиной волны.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации для опубликования основных результатов диссертацгт, и в библиографические базы Web of Science и Scopus:

1. Суханов Д.Я., Барышева (Завьялова) К.В. Трансмиссионное некогерентное ультразвуковое видение плоских объектов // Акустический журнал. — 2010. - Т. 56, № 4. - С. 491-496. - 0.38 /0.25 пл.

переводная версия:

Sukhanov D.Ya., Barysheva (Zavyalova) K.V. Transmission incoherent ultrasonic imaging of planar objects // Acoustical Physics. - 2010. — T. 56, № 4. — C. 501-505. - DOI: 10.1134/S1063771010040159.

2. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Трёхмерное широкополосное радиовидение на основе измерения амплитудного распределения интерференционной картины за дифракционной решёткой // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2010. - Т. 53, № 9/2. - С. 98-102. - 0.31/0.25 п.л.

3. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Восстановление трёхмерных радиоизображений по результатам многочастотных голографических измерений // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82, № 6. - С. 85-89. - 0.35 /0.25 п.л.

переводная версия:

Sukhanov D.Ya., Zavyalova K.V. Reconstruction of 3D radio images from mul-tifrequency holographic measurements // Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. - 2012. - T. 57, № 6. - C. 819-823. - DOI: 10.1134/S1063784212060229.

4. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Система трёхмерного голографического сверхширокополосного радиовидения // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55, № 9/2. - С. 17-21. - 0.34 /0.25 п.л.

5. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Восстановление радиоизображений по измерениям интенсивности поля интерференции разреженной матрицей эле-

ментов с применением нескольких источников // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013,- Т. 56, № 8/2. - С. 167-173.-0.47 /0.25 п.л.

6. Sukhanov D.Ya., Zavyalova K.V. Radioholography using a spherical wave as a reference signal // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2013. -Т. 56, № 10/3.-С. 229-232.-0.25/0.15 п.л.

7. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Сверхширокополосная трёхмерная радиоголография в плоскослоистой среде // Журнал технической физики. - 2014. -Т. 84, № 12.-С. 117-121.-0.34/0.25 п.л.

Патент на полезную модель:

8. Пат. 144400 Российская Федерация, МПК G01S 13/89. Рад но го л о графический сверхширокополосный томограф / Суханов Д. Я., Завьялова К. В., заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (RU). -№ 2014108126/07; заявл. 03.03.2014; опубл. 20.08.2014, Бюл № 23. - 2 с.

Публикации в сборниках материалов конференций, включенных в Scopus:

9. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Локационная радиотомография через диэлектрические неоднородности известной формы // 24-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, 7-13 сентября 2014 г.: материалы конференции. - Севастополь: Вебер, 2014. - С. 1209-1210. - 0.47 /0.45 п.л. -0.15 /0.1 п.л.

Статьи в других научных изданиях:

10. Барышева (Завьялова) К.В. Некогерентная трансмиссионная радиотомография // Труды 6-й конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора (7 мая 2009) / под ред. В.В. Демина; Томский государственный университет. — Томск: Томское университетское издательство. - 2010. - С. 11-16. - 0.38 /0.38 п.л.

11. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Локационное сверхширокополосное радиовидение с использованием некогерентного во времени излучения // III Всероссийская научная конференция «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» СРСА 2010, 28 июня - 1 июля 2010 г., Муром. - Муром, 2010. - С. 214-218.-0.34 /0.15 п.л.

12. Завьялова К.В. Получение трёхмерных радиоизображений объектов с помощью измерения амплитуды рассеянного поля за дифракционной решёткой в широкой полосе частот // Труды 7-й конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора / под ред. В.В. Демина. - Томск: Томское университетское издательство, 2011. — С. 50-54. — 0.34 /0.34 п.л.

13. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Восстановление трёхмерных радиоизображений без прямого измерения фазы // Материалы II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием, 5-7 мая 2011 г. / под ред. A.B. Юрченко. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета,— С. 84-85. — 0.16 /0.1 п.л.

14. Завьялова К.В. Голографический метод трёхмерного радиовидения // Труды 8-й конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора / под ред. В.В. Демина. - Томск: Томское университетское издательство, 2011. -С. 55-59.-0.35/0.35 п.л.

15. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Система трёхмерного широкополосного радиовидения на основе измерений амплитуды волнового поля // Материалы III научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием / под ред. A.B. Юрченко. -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 3-5 мая 2012 г. -С. 46-54.-0.57/0.35 п.л.

16. Завьялова К.В. Узкополосный радиоголографический метод восстановления радиоизображений // Актуальные проблемы радиофизики: материалы II Международной молодежной научной школы / под ред. В.И. Сусляева. -Томск: Изд-во НТЛ, 2013. - С. 39-40. - 0.13 /0.13 п.л.

17. Sukhanov D., Zavyalova K.V. Three-dimensional non-contact subsurface radiotomography through a non-planar interface between media // Proceeding of the 15th International Conference on Ground Penetrating Radar GPR 2014 (June 30 -Jule, 4 2014). -Brusseles, Belgium, 2014. P. 691-695. - 0.37 /0.15 п.л.

18. Завьялова K.B., Суханов Д.Я. Восстановление изображения источника по измерениям амплитуды поля за дифракционной решёткой // Новое слово в науке: перспективы развития: материалы международной научно-практической конференции (Чебоксары, 10 сент. 2014 г.) / редкол.: О. Н. Широков [и др.]. - Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2014. - С. 203-206. — 0.45 /0.35 п.л.

19. Завьялова К.В., Суханов Д.Я. Радиоголография с применением монохроматического стороннего источника сферических волн // Новое слово в науке: перспективы развития : материалы международной научно-практической конференции (Чебоксары, 10 сент. 2014 г.) / редкол.: О. Н. Широков [и др.]. -Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2014. - С. 198-203. - 0.56 /0.35 п.л.

20. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Бесконтактная радиотомография через неплоскую границу раздела сред в приближении фазового экрана // «Естественные и математические науки в современном мире»: сборник статей по материалам XVIII международной научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд-во «СибАК», 2014. - № 5 (17). - С. 81-90. - 0.63 /0.4 п.л.

21. Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Применение скалярного анализатора цепей для сверхширокополосной локационной радиотомографии // Материалы V научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» с международным участием (19-23 мая 2014) / под ред. A.B. Юрченко; Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - С. 70-75. — 0.31 /0.2 п.л.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1*. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука. 1979.-384 с.

2*. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. «Введение в статистическую радиофизику. Часть 2. Случайные поля». М.: Наука, 1978, 464 С.

3*. Потехин А. И. Некоторые задачи дифракции электромагнитных волн. М.: Сов. радио, 1948. 136 с

4*. Нефёдов Е. И. Дифракция электромагнитных волн на диэлектрических структурах. М.: Наука, 1979. 272 с.

5*. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли: учебное пособие для вузов; под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.

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

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

8*. Буренин Н.И. Радиолокационные станции с синтезированной антенной. -М.: Сов. радио, 1972. -160 с.

9*. Краус Д. Дж. Радиоастрономия. -М.: Советское радио, 1973.-456 с.

10*. Захаров В. Д., Лепёхина Т. А., Николаев В. И., Титов М. П., Толстов Е. Ф., Четверик В. Н. Проблемы оценки пространственного и радиометрического разрешения РСА // Известия высших учебных заведений. Электроника. - 2012. -№98.-С. 65-72.

11*. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я., Клоков A.B. Радиоволновая томография: достижения и перспективы: монография / под ред. В.П. Якубова. - Томск: Изд-во НТЛ, 2014. - 264 с.

Отпечано в типографии ООО «Луна-принт» , г. Томск, пр. Фрунзе 240а, стр.11, ИНН 7017306060 № заказа 10505 тираж 100 экземпляров

2014 год