Интерактивная обработка трехмерных данных импульсных радиолокаторов подповерхностного зондирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Бодров, Владимир Юрьевич

• Бодров, Владимир Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бодров, Владимир Юрьевич

Введение

Глава 1. Регистрация радиолокационных данных

1.1. Принцип работы и конструктивные особенности импульсного радиолокатора подповерхностного зондирования

1.2. Регистрация трехмерных данных подповерхностного зондирования

1.3. Выводы по главе

Глава 2. Отображение трехмерных данных результатов зондирования

2.1. Традиционные форматы отображения трехмерных данных

2.2. Новые форматы отображения трехмерных данных

2.2.1. Проецирование анализируемых данных на ортогональные плоскости с использованием цветового представления глубин

2.2.2. Динамическая визуализация результатов обработки трехмерных данных с применением эффекта «прозрачности»

2.3. Выводы по главе 2.

Глава 3. Интерактивная обработка трехмерных данных подповерхностного зондирования

3.1. Традиционные методы обработки трехмерных данных

3.2. Новые интерактивные методы обработки трехмерных данных

3.2.1. Оценка протяженности объекта в направлении сканирования.

3.2.2. Методика совместного определения скорости распространения радиоволн в среде и параметров цилиндрических объектов

3.2.3. Интерактивная пороговая обработка

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование поляризационных признаков сигналов

4.1. Постановка задачи

4.2. Описание поляризационного локатора

4.3. Результаты экспериментальных исследований

4.4. Выводы по главе

Глава 5. Особенности построения программного обеспечения

5.1. Достоинства и недостатки разработанной программы

5.2. Принципы построения программного обеспечения

5.3. Выводы по главе 5 112 Заключение 113 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интерактивная обработка трехмерных данных импульсных радиолокаторов подповерхностного зондирования»

Актуальность темы

В ходе летних экспериментов на море в 1897 г. знаменитый российский ученый и изобретатель А.С. Попов обнаружил явление отражения радиоволн от корпуса судна, пересекающего направление связи [1]. Эти наблюдения были впоследствии, в 1902-1904 гг., развиты немецким инженером К.Хюльсмайером, сконструировавшим "телемобилоскоп" — некий прототип радара [2]. Прибор имел приемопередающую систему для обнаружения удаленных металлических объектов посредством электромагнитных волн. Таким образом, наблюдения Попова легли в основу будущей техники радиолокации - обнаружения объектов по отражению ими радиоволн.

Теоретические основы применения радиоволн для изучения геологических структур были заложены Г.Лови и Г.Леймбахом в 1910 г., а в 1912 г. ими обоснована возможность поисков руд и грунтовых вод радиоинтерференционными методами [3].

Первый радар подповерхностного зондирования был сделан в Австрии в 1929 г. Он предназначался для исследования глубины ледника Штерн, которые проходили с 1929 по 1930 гг.

В нашей стране первые опытные работы электроразведочными методами, использующими радиочастотные сигналы, начаты в 1925 г. А.А. Петровским [4]. В середине 50-х годов А.Г. Тархов разработал метод, основанный на зависимости напряженности электромагнитного поля удаленных широковещательных радиостанций от геологического строения некоторого участка местности. Эти и другие методы начали внедрять в производство в 50-х годах XX века, что было обусловлено с техническими трудностями и необходимостью решения вопросов электромагнитной совместимости.

Эффект отражения импульсных электромагнитных волн от подповерхностных неоднородностей был случайно обнаружен А. Уэйтом в

1957 г. на ледовом аэродроме в Антарктиде, когда он обратил внимание на то, что радиовысотомер самолета показывал высоту 900 футов еще до момента его отрыва от взлетной полосы. Первоначальное предположение о неисправности высотомера, который представлял собой импульсный радиолокатор, не оправдалось, а выяснилось, что локатор фиксирует сигнал от подножья ледника. Дальнейшие эксперименты показали, что используя импульсный радиолокатор, можно определять толщину льда как с его поверхности, так и с воздуха [5].

Развитие радиолокации в геологической разведке стало возможным с появлением полупроводниковых приборов, позволяющих генерировать импульсы длительностью несколько наносекунд, что обеспечивало разрешающую способность по глубине в единицы и доли метров.

Одной из ведущих отечественных организаций, активно работающей над созданием радиолокационной аппаратуры для подповерхностных исследований, следует считать проблемную лабораторию кафедры радиолокации Рижского Краснознаменного института инженеров гражданскиой авиации (РКИИГА) под руководством М.И. Финкельштейна [6, 7], где была разработана серия оригинальных георадаров. В 1973-1975 г.г. разработанная аппаратура была опробована практически во всех климатических зонах для изучения геомерзлотного разреза, поисков подземных вод, изучения пресноводных и морских льдов.

В последующие годы интерес к георадарному методу не был стабильным, однако развитие микроэлектроники и повышение скорости и эффективности компьютерной обработки данных зондирования вернули подповерхностную радиолокацию в число актуальных задач.

В настоящее время интерес к подповерхностной радиолокации постоянно растет, эта область является наиболее быстро развивающейся в сфере инженерно-геофизических исследований. Начиная с 1986 года, регулярно проводятся международные конференции по подповерхностной радиолокации [8, 9]. Во многих странах разрабатываются и выпускаются различные модификации радиолокаторов подповерхностного зондирования.

Методы подповерхностного зондирования находят применения в различных областях: геологии, транспортном строительстве, промышленном и гражданском строительстве, экологии, археологии, оборонной промышленности и т.д. Актуальность разработки новых и совершенствования известных методов обусловлена широкими возможностями их применения [10].

В геологии георадары применяются для построения геологических разрезов, определения положения уровня грунтовых вод, толщины льда, глубины и профиля дна рек и озёр, границ распространения полезных ископаемых в карьерах, положения карстовых воронок и пустот.

В транспортном строительстве (автомобильные и железные дороги, аэродромы) георадары используются для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения дорожно-строительных материалов, изыскания карьеров дорожно-строительных материалов, оценки оснований под транспортные сооружения, определения глубины промерзания в грунтовых массивах и дорожных конструкциях, содержания влаги в грунте земляного полотна и подстилающих грунтовых основаниях, эрозии грунтов на участках мостовых переходов.

В промышленном и гражданском строительстве помимо всего вышеперечисленного георадары нашли применение для определения качества и состояния бетонных конструкций (мостов, зданий и т.д.), состояния дамб и плотин, выявления оползневых зон, месторасположения инженерных сетей (металлических и пластиковых труб, кабелей и других объектов коммунального хозяйства).

В решении вопросов охраны окружающей среды и рационального использования земель георадары используются для оценки загрязнения почв, обнаружения утечек из нефте- и водопроводов, мест захоронения экологически опасных отходов.

В археологии при помощи георадаров устанавливают места нахождения археологических объектов и границы их распространения. Использование подповерхностной радиолокации в археологии связано с высокой, по сравнению с другими методами геофизики, разрешающей способностью, производительностью, компактностью измерительной аппаратуры, возможностью бесконтактного возбуждения зондирующих сигналов.

В оборонной промышленности георадары могут быть использованы для обнаружения мест заложения мин, расположения подземных тоннелей, коммуникаций, складов, техники.

В настоящее время георадары активно используется силовыми структурами для выполнения разного рода задач связанных с поиском и обнаружением тайников и захоронений, а также выявления подкопов к особо охраняемым объектам.

В таможенных органах георадары используются для обнаружения контрабандных вложений в гомогенных однородных грузах.

Относительно недавно обострился интерес к использованию методов и средств подповерхностной радиолокации в медицине, а также для обнаружения и диагностики людей, находящихся в завалах или за стенами строительных конструкций [11, 12]. При этом основным преимуществом радиолокационного зондирования перед применяемыми в этих областях методами является способность электромагнитных волн распространяться в разнообразных диэлектрических средах с высокой степенью неоднородности и, кроме того, возможно зондирование «на отражение», т.е. когда приёмник и передатчик расположены с одной стороны исследуемого объекта.

Активно решаются задачи распознавания и классификации подповерхностных объектов [13], а также автоматизации процесса обнаружения [14], в том числе и с помощью нейронных сетей [15].

В ряде случаев методы радиолокационного подповерхностного зондирования либо оказываются более эффективными по сравнению с другими подходами к решению вышеуказанных задач, либо вовсе не имеют альтернатив.

В современной подповерхностной радиолокации есть несколько специфических областей применения, в которых ведутся работы по усовершенствованию аппаратного и математико-программного обеспечения.

Основная задача радиолокатора подповерхностного зондирования (РЛПЗ) состоит в обследовании среды с целью обнаружения скрытых в ней объектов. Так как электропроводящие среды являются непрозрачными для электромагнитных волн, то РЛПЗ используются для исследования только диэлектрических сред естественного (вода, лед, дерево) или искусственного (бетон, кирпич, песок) происхождения. Обнаруживаемые в среде объекты также можно разделить на естественные (водоносные слои, промоины) и искусственные (подземные коммуникации, мины, тайники), причем объекты обнаружения могут быть как диэлектрические, так и электропроводные, в том числе металлические.

Подповерхностные радиолокаторы применяются в диапазоне глубин от нескольких сантиметров до десятков метров, поэтому вид и длительность сигналов, соответствующая аппаратура и антенные системы, а также алгоритмы обработки существенно отличаются для разных глубин. Можно провести некоторую классификацию РЛПЗ в зависимости от наблюдаемых глубин и разрешающей способности [16]:

1) глубинная (геодезическая)-6.30 м и более;

2) средних (строительных) глубин - 1.7 м;

3) малых глубин (приповерхностная)-0. 1,5 м.

Высокая разрешающая способность по глубине является одним из важнейших требований к РЛПЗ средних и малых глубин.

В отличие от классической радиолокации в РЛПЗ радиоимпульсы излучаются не в пространство, а в среды с большим затуханием радиоволн, при этом радиоимпульсы отражаются не только от предметов (металлических и неметаллических), но и от участков, имеющих отличную от среды диэлектрическую проницаемость, то есть от границ песок - камень, сухой - влажный грунт и так далее. В среде с диэлектрической проницаемостью е происходит замедление электромагнитной волны в у[ё раз. Коэффициент диэлектрической проницаемости среды очень сильно зависит от ее влажности. Например, для воздуха е = 1, для природного песчаного грунта е=2.6, для глины ^ =3.15, для дистиллированной воды £=81.

Используемые в обычной радиолокации импульсы (с несущей частотой от 5 ГГц и выше) и методы их обработки не пригодны для подповерхностного зондирования, так как не обеспечивают заданную глубину зондирования из-за большой величины затухания сигнала и требований к разрешающей способности по глубине. Поэтому для обеспечения требуемой разрешающей способности необходимо применять короткие сигналы нано- и пикосекундной длительности. Для средних глубин длительность импульса составляет порядка нескольких наносекунд, для приповерхностных глубин - доли наносекунд.

В большинстве строительных конструкций применяемые материалы имеют сложный состав, поэтому затухание в них меняется в весьма широких пределах. Так, например, на частоте 1 ГГц величина затухания сигнала в сухом песке может лежать в пределах от 0.1 до 20 дБ/м, в бетоне - от 5 до 25 дБ/м, в кирпиче - от 3 до 20 дБ/м [17].

В грунте электромагнитные сигналы претерпевают существенные дисперсионные искажения. Грунты и другие среды не являются полностью однородным фильтром для частот электромагнитного излучения, а пространственные вариации диэлектрической проницаемости грунта более значительны, чем в атмосфере. В результате при прохождении сигнала через зондируемую среду одни частоты в данный момент времени затухают сильнее, другие подчиняются усредненной закономерности, а отдельные могут затухать слабее. Для узкополосного сигнала вариации параметров среды могут приводить к резкому уменьшению чувствительности прибора и даже полному пропаданию отраженного сигнала от объекта.

Таким образом, современные РЛПЗ средних и малых дальностей должны удовлетворять взаимоисключающим требованиям при выборе длины волны зондирующего сигнала. Для минимальных энергетических потерь при распространении в среде и для увеличения глубины проникновения необходимо использовать низкочастотный диапазон, а для обеспечения высокой разрешающей способности необходимо переходить к более высоким частотам.

Чтобы удовлетворить обоим требованиям, необходимо расширять базу сигнала, то есть произведение полосы частот сигнала на длительность сигнала. Известно три способа реализации данного требования:

1. Использование сигналов без несущей, то есть видеоимпульсов.

2. Использование многочастотного зондирования с последующим преобразованием спектральных компонент во временную область. Чем больше спектральных компонент, тем выше разрешающая способность системы.

3. Использование частотно и фазоманипулированных (шумоподобных) сигналов с временным сканированием и корреляционной обработкой. Временная селекция достигается применением сигналов с высокой автокорреляционной функцией.

Одним из интенсивно развивающихся в последнее время методов решения задач инженерной геофизики является метод видеоимпульсного подповерхностного зондирования, называемый также георадарным методом.

Способ формирования видеоимпульса был предложен в 1960 г. И.К. Куком и до сих пор используется в георадарах. В этом способе, который получил название "метода ударного возбуждения антенны", на передающую антенну подается перепад напряжения, который и формирует видеоимпульс [18].

Существенными преимуществами импульсных РЛПЗ являются:

- простота схем формирования и приема сигналов;

- обеспечение максимального проникновения излучения в среду за счет снижения средней частоты при сохранении ширины спектра, обеспечивающей требуемую разрешающую способность по дальности;

- сравнительная простота отображения радиолокационной информации о подповерхностных объектах и определения глубины их залегания. При этом эффективность РЛПЗ определяется не только элементной базой и построением аппаратной части радара, но и математико-программным обеспечением, реализующим методы и алгоритмы цифровой обработки радиолокационных сигналов и изображений.

Георадарный метод основан на явлении отражения электромагнитной волны от поверхностей, на которых скачкообразно изменяются электрические свойства контактирующих тел - электропроводность или диэлектрическая проницаемость. Электромагнитная волна, падающая на такую поверхность, порождает вторичную волну, распространяющуюся в направлении, противоположном направлению распространения падающей волны. Имеется два вида волн этого типа. К первому типу относятся собственно отраженные волны, образующиеся в случае, когда поверхность раздела является плоской (или квазиплоской). Примером такой поверхности является граница между слоями с разными диэлектрическими проницаемостями. Интенсивность отраженных волн при прочих равных условиях определяется только контрастностью электрических свойств контактирующих сред.

Ко второму типу относятся волны, возникающие на контактной поверхности, один или все размеры которой сравнимы с длиной волны падающего на объект электромагнитного импульса. Примерами поверхностей рассматриваемого типа являются трубы, расположенные в грунте (их длины много больше диаметра), электрические кабели, локальные неоднородности, подземные полости и т.д. Волны второго типа называют дифрагированные. Интенсивность дифрагированных волн зависит от формы и площади контактной поверхности, контраста электрических свойств контактирующих тел и длительности зондирующего импульса.

В отличие от сейсморазведки, кинематические (время распространения зондирующего импульса от передающей антенны до отражающего или дифрагирующего объекта и от этого объекта до приемной антенны) и динамические характеристики (интенсивность и форма электромагнитных волн) при подповерхностном зондировании сложным образом зависят от спектрального состава зондирующего сигнала, диэлектрической проницаемости, проводимости среды и обнаруживаемых объектов. Последние параметры сами могут быть частотнозависимыми функциями, и до настоящего времени отсутствует теория, позволяющая проводить точные расчеты динамических характеристик волнового поля [19]. Однако с практической точки зрения отсутствие теории, описывающей динамику электромагнитных волн, не означает невозможность эффективной обработки данных радиолокационного зондирования.

Дополнительная информация о зондируемой среде и расположенных в ней объектах может быть извлечена из данных путем более сложной математической обработки и последующей интерпретацией. Хотя имеется возможность использовать большинство процедур, применяемых при сейсмической разведке, эффективность их применения во многом определяется видом решаемой задачи, разнообразие которых предполагает и довольно широкий выбор методов и процедур обработки [20-28].

Конкретизировать круг решаемых задач, которые должны быть решены при обработке и интерпретации данных радиолокационного зондирования, довольно трудно. В настоящее время при решении этих задач использовать полностью автоматизированные системы практически невозможно, поэтому их решением занимаются системы человек-машины. При этом человеку-обработчику (оператору или интерпретатору) должно быть предоставлено максимум возможностей для анализа данных зондирования. Решение задач максимально информативной визуализации и максимально эффективной и быстрой обработки возлагается на программное обеспечение.

Ведущими зарубежными и российским компаниями, занимающимися производством георадаров, являются GSSI (США), Era Technology (Великобритания), Ingegneria Dei Sistemi (Италия), Sensor and Software Inc. (Канада), MALA GeoScience (Швеция), Toikka Engineering (Финляндия), Koden Electronics Co., Ltd. (Япония), Geozondas (Литва), НПФ «Радарные системы» (Латвия), ООО «Лаборатория дистанционного зондирования» (Россия), ООО «Логические системы» (Россия), ЗАО «Таймер» (Россия), ОАО «ВНИИСМИ» (Россия), ЗАО «НТЦСМ» (Россия) и другие.

НПФ «Радарные Системы» основана в 1989 году на базе Проблемной лаборатории авиационной подповерхностной радиолокации (ПЛАПР), Рижского авиационного университета (РАУ), и является ее правопреемником в области разработки методов и аппаратуры подповерхностного зондирования для решения задач неразрушающего мониторинга среды, инженерно-геологических изысканий, измерения толщины морских и пресноводных льдов и пр. В настоящее время компания выпускается универсальный, многофункциональный георадар «Зонд-12е», предназначенный для решения широкого спектра геотехнических, геологических, экологических, инженерных и других задач, где есть необходимость неразрушающего и оперативного мониторинга среды.

Компания ООО «Лаборатория дистанционного зондирования» возникла в системе институтов Министерства радиопромышленности СССР в 1981 году. С середины 80-х годов сотрудниками лаборатории был начат цикл работ по применению подповерхностных радиолокаторов для получения изображений объектов, залегающих в грунте на небольшой глубине. В результате выполненного цикла исследований был разработан метод многочастотного зондирования конденсированных сред с помощью подповерхностных локаторов с непрерывным излучением сигнала. На основе разработанного метода был спроектирован и запущен в опытное производство радиолокатор "РАСКАН", предназначенный для зондирования строительных конструкций с высоким разрешением [29]. Компанией также решаются вопросы по обнаружению и дистанционной диагностике людей за препятствиями с помощью радиолокационных средств.

ООО "Логические системы" (ЛогиС) и ГП НИИ Приборостроения им. В.В.Тихомирова совместно разработан ряд георадаров серии "Око" в диапазоне частот от 25 до 1700 МГц, обеспечивающих зондирование различных сред, фунтов и воды на глубинах до 30 м с разрешающей способностью от 0,03 м [30]. РЛПЗ "Око" предназначаются для обнаружения в грунте, под водой, в насыпных грузах и в других средах различных предметов, неоднородностей, в том числе трубопроводов, карстовых пустот и промоин в железнодорожном и автомобильном полотне, неоднородностей структуры грунта и т.п. Георадары могут использоваться при проведении археологических работ, строительных и ремонтных работах, поиске несанкционированных отводов от трубопровода и криминальных и контрабандных захоронениях.

ЗАО "Таймер" отсчитывает свою историю с 1997 года. Компания занимается разработкой и внедрением в производство георадаров серии «ГРОТ» [31], а также оказанием услуг по подповерхностному зондированию этими георадарами до глубины более 50 м с разрешением по горизонтали и вертикали 0,1 - 0,5м, на тяжелых глинистых почвах до глубины не менее 12м. Георадары серии "Грот" успешно используются в строительстве (контроль за состоянием грунта в зоне инженерных сооружений при строительстве) и эксплуатации (фундаменты зданий, железные и шоссейные дороги), в коммунальном хозяйстве (контроль за состоянием коммуникаций, ливневых, дренажных и канализационных систем, теплотрасс), в газовой и нефтяной отраслях (контроль за состоянием и положением труб, подводных переходов), в археологии (неразрушающее обследование археологических объектов, поиск и уточнение места расположения объектов для произведения раскопок), в экологии (обнаружение захоронений экологически вредных отходов, неразрушающее картирование закрытых емкостей, скрытых траншей, границ загрязненных почв, мест протечек).

ОАО "ВНИИСМИ" занимается разработкой и производством переносных импульсных РЛПЗ серии «Лоза», а также инженерно-геологическим изысканиями и геофизическими исследованиями с применением георадаров в строительстве, коммунальном хозяйстве, геологии, в подводных археологических исследованиях [32], экологии и т.д. Георадары "Лоза" являются продолжением серии "Грот" и относятся к лучшим мировым образцам данного типа приборов. Отличительной особенностью приборов этой серии по сравнению с известными зарубежными и отечественными аналогами является большой энергетический потенциал, позволяющий работать в средах с высокой проводимостью, например в суглинке или влажной глине, что для других герадаров не представляется возможным из-за их малого потенциала.

В настоящее время в СКБ ИРЭ РАН разработан ряд многоцелевых многодиапазонных георадаров серии «Герад» [33] для применения в геологических и планетологических изысканиях, инженерно-строительных работах, диагностике дорожных покрытий, криминалистике, археологии, экологии и других областях.

Российское предприятие НТП "Тензор" специализируется на создании систем и приборов для измерений во врехменной области [34] (рефлектометры с зондирующим сигналом пикосекундной длительности, осциллографы, генераторы сигналов пикосекундной длительности, антенны и приборы для измерения диэлектрической проницаемости), подповерхностных радаров, СВЧ компонентов для станций спутниковой связи. Разрабатываемые компанией подповерхностные радары для обнаружения объектов и неразрушающе го контроля обеспечивают получение непрерывных профилей подповерхностных структур при геофизических исследованиях, используются в строительстве, археологии, определении мест прокладки труб, кабелей, фундаментов, нахождении пустот, измерении толщин диэлектрических слоев. НТП «Тензор» выпускает несколько РЛПЗ для работы на разных глубинах.

Для проведения экспериментальных исследований была использована одна из модификаций РЛПЗ малых дальностей серии «Дефектоскоп» [35-43], выпускаемых ЗАО «Научно-технический центр системного моделирования» (НТЦСМ). Достигнутые показатели качества работы этого РЛПЗ, в частности, разрешающая способность в направлении зондирования 0.02 м и в поперечном направлении 0.03 м, возможности решения задач обнаружения, определения местоположения и распознавания подповерхностных объектов обусловлены выбранной элементной базой, построением аппаратной части РЛПЗ, а также разработанным математическим и программным обеспечением.

Многие современные РЛПЗ обладают высокими показателями качества, однако требования к ним постоянно повышаются и решаемые ими задачи становятся всё более сложными. Повышение эффективности РЛПЗ за счет совершенствования его аппаратной части во многом зависит от физических пределов используемых радиоэлементов. Исходя из опыта работы с РЛПЗ, можно утверждать, что существует возможность значительного улучшения их показателей качества за счет разработки более совершенного математического и программного обеспечения. Такая возможность объясняется тем, что в существующих РЛПЗ, во-первых, используется далеко не весь арсенал современных методов обработки сигналов и изображений, во-вторых, эффективность используемых методов, как правило, можно повысить за счёт оптимизации параметров алгоритмов обработки, и в третьих, можно разработать новые эффективные методы обработки, обнаружения и распознавания радиолокационных сигналов и изображений с учетом специфики среды, обнаруживаемых объектов и условий подповерхностного зондирования.

Так как данные зондирования, получаемые импульсными РЛПЗ малых дальностей, в большинстве случаев являются трехмерными, вопросы создания эффективных алгоритмов обработки таких данных и разработки удобного для интерпретатора программного обеспечения РЛПЗ являются актуальными. Решению этих вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является повышение эффективности обработки и отображения трехмерных данных импульсного радиолокационного зондирования при решении задач обнаружения и распознавания малоразмерных объектов (металлические штыри, пластины, трубы) в различных средах, используемых в строительных конструкциях (песок, бетон, кирпич), а также разработка программного обеспечения, реализующего наиболее эффективные методы и алгоритмы.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка способов улучшения отображения трехмерных данных результатов зондирования на плоском экране монитора.

2. Определение рационального состава традиционных процедур обработки сигналов.

3. Разработка методов измерения параметров среды и оценки протяженности объектов.

4. Разработка процедуры пороговой обработки, позволяющей выделять слабые отражения от малоразмерных объектов, расположенных на разной глубине, с учетом шумов и помех.

5. Исследование поляризационных признаков сигналов с целью получения энергетического и информационного выигрыша при приёме отраженных сигналов от различных типов объектов.

6. Создание пакета программных средств, реализующих новые приемы отображения и удобные для интерпретатора методы интерактивной обработки трехмерной радиолокационной информации.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы аналитической геометрии, статистической радиотехники, визуализации трехмерных данных, цифровой обработки сигналов, компьютерной графики, математического моделирования и экспериментальных исследований в подповерхностной радиолокации.

Научная новизна работы

1. Разработана методика оценки протяженности объектов путем измерения величины смещения асимптот гиперболы относительно нулевого уровня.

2. Разработана интерактивная методика измерений, которая позволяет по трехмерным данным радиолокационного зондирования, характеризующим отражения от цилиндрического объекта, совместно определять скорость распространения радиоволн в среде и параметры цилиндрических объектов: радиус, длину и положение.

3. Предложена процедура интерактивной пороговой обработки, позволяющая эффективно выделять слабые отражения от малоразмерных объектов с учетом затухания в среде и устранять шумы и помехи.

4. С помощью поляризационного локатора исследованы поляризационные признаки сигналов, отраженных от различных типов объектов.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

Для оценки эффективности предлагаемых процедур обработки и отображения трехмерных данных импульсного радиолокационного зондирования проведен ряд экспериментальных исследований и сформирована база данных в виде набора радиолокационных сигналов в условиях различных сред и отражающих объектов. Результаты этих исследований могут быть использованы для тестирования и корректировки разрабатываемых методов и программных средств.

Разработано программное обеспечение, реализующие новые приемы отображения и удобные для интерпретатора методы интерактивной обработки трехмерной радиолокационной информации. Это обеспечение используется в импульсных РЛПЗ, выпускаемых ЗАО «НТЦСМ» [41-44].

Результаты диссертационных исследований внедрены в разработки предприятия ЗАО «НТЦСМ», что подтверждается актом внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Выбранный рациональный состав интерактивных процедур обработки трехмерных данных, в том числе разработанные процедуры оценки протяженности объектов и совместного измерения скорости распространения радиоволн в среде и параметров цилиндрических объектов, обеспечивает эффективную работу импульсных РЛПЗ малых дальностей.

2. Интерактивная пороговая обработка позволяет эффективно выделять слабые отражения от малоразмерных объектов, не прошедшие через адаптивный порог, с учетом затухания в среде и устранять шумы и помехи.

3. Представление результатов пороговой обработки трехмерных радиолокационных данных на плоском экране с помощью предложенных способов проецирования анализируемых сигналов на ортогональные плоскости с использованием цветового отображения глубин и динамической визуализации результатов обработки трехмерных данных с применением эффекта «прозрачности» повышает информативность отображения обнаруживаемых объектов.

4. Разработанный пакет программных средств и его отдельные модули целесообразно использовать при создании импульсных РЛПЗ.

Публикации и апробации

Апробация результатов работы:

Результаты диссертационной работы доложены на 4-ой международной научно-практической конференции «Георадар-2004» (Москва, МГУ, 2004), на 10-ой международной конференции GPR-2004 (Delft, The Netherlands, 2004), на международном радиолокационном симпозиуме IRS-2005 (Berlin, Germany, 2005).

Публикации:

Основные результаты диссертации опубликованы в трудах трех международных научно-технических конференций и в пятой главе коллективной монографии «Вопросы подповерхностной радиолокации» (под ред. А.Ю. Гринева-М.: Радиотехника, 2005).

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 122 листах машинописного текста, включая 40 листов иллюстраций. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 60 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Бодров, Владимир Юрьевич

5.3. Выводы по главе 5.

Проведен сравнительный анализ принципов построения разработанного в ходе диссертационной работы программного обеспечения РЛПЗ «Дефектоскоп» с принципами построения программы RadExplorer ООО «ДЕКО-Геофизика», предназначеной для обработки и интерпретации данных РЛПЗ различных производителей.

К достоинствам разработанного программного обеспечения относятся:

1. Возможность загрузки, визуализации и обработки трехмерных радиолокационных данных сразу двух видов поляризации.

2. Сведение в единое окно программы большинства выполняемых процедур обработки, где отображаются отдельно исходные данные и результаты обработки, а также имеется возможность предварительного просмотра ожидаемых результатов выполняемых процедур.

3. Наличие отдельного программного окна для цветового динамического отображения пространства интерпретации с учетом пороговой обработки, реализованного средствами графической библиотеки OpenGL.

4. Разделение пунктов программы по типу выполняемых операций в порядке их рационального использования оператором.

5. Наличие удобных для интерпретатора инструментальных средств.

К основным недостаткам разработанного программного обеспечения РЛПЗ «Дефектоскоп» по сравнению с программой RadExplorer можно отнести невозможность отменить обработку данных более чем на один шаг, отсутствие автоматического выбора оптимальных параметров обработки в зависимости от параметров записи, наличие только собственного формата загружаемых данных.

Подробно рассмотрены принципы построения разработанной программы.

113

Заключение

В диссертационной работе разработаны новые приемы отображения и эффективные методы интерактивной обработки трехмерных данных подповерхностного радиолокационного зондирования, предложен рациональный состав традиционных алгоритмов обработки и разработано программное обеспечение.

1. Предложены способы улучшения отображения трехмерных данных на плоском экране монитора, такие как проецирование анализируемых сигналов на ортогональные плоскости с использованием цветового отображения глубин и динамическая визуализация результатов обработки трехмерных данных с применением эффекта «прозрачности», реализуемая методами вращения, перемещения и масштабирования при помощи средств графической библиотеки OpenGL. Эти новые способы отображения позволяют наглядно и наиболее информативно визуализировать исследуемую среду и снизить ошибки в принятии решений об обнаружении и идентификации объектов.

2. С целью обеспечения эффективной работы импульсных РЛПЗ малых дальностей выбран рациональный состав наиболее эффективных интерактивных методов обработки трехмерных данных:

• усиление сигналов и изменение их постоянной составляющей;

• коррекция затухания сигналов по глубине;

• компенсация средней составляющей сигнала и подавление тренда;

• определение модуля сигналов и их огибающих путем преобразования Гильберта;

• измерение скорости распространения сигнала в среде методом "подбора гиперболы";

• обработка сигналов методом синтезирования апертуры;

• адаптивная пороговая обработка.

3. Разработана методика оценки протяженности объектов путем измерения ' величины смещения асимптот гиперболы относительно нулевого уровня.

4. Разработана методика, которая позволяет по трехмерным данным радиолокационного зондирования, характеризующим отражения от цилиндрического объекта, совместно определять скорость распространения радиоволн в среде и параметры цилиндрических объектов: радиус, длину и положение. Эффективность методики оценена экспериментально с помощью разработанного модуля программного обеспечения. Погрешность измерений составляет около 20 %. Найденные параметры могут быть использованы как для непосредственной интерпретации наблюдаемых объектов, так и для автоматического формирования отражающих поверхностей всех объектов, обнаруженных в зоне сканирования, по методике [52].

5. Предложена новая процедура интерактивной пороговой обработки, позволяющая эффективно выделять слабые отражения от малоразмерных объектов, не прошедшие через адаптивный порог, с учетом затухания в среде и устранять шумы и помехи.

6. Проведены экспериментальные исследования по регистрации коллинеарных и перекрестных поляризаций для плоских металлических пластин (размером 20x40 см) и цилиндрических объектов, зарытых в песок под различными углами к плоскости сканирования. Использовались металлические цилиндры диаметром 0.8, 2, 3, 6 и 10 см, а также полая бумажная трубка 4 см. По результатам экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

• горизонтальные пластины не создают кросс-поляризационных отраженных сигналов;

• наклонная пластина создает кросс-поляризационные отраженные сигналы, амплитуды которых зависят от угла между направлением прихода падающей волны и нормалью к плоскости пластины;

• тонкие цилиндрические объекты создают кросс-поляризационные отраженные сигналы, амплитуды которых зависят от величины проекции вектора поляризации падающей волны на ось цилиндра;

• цилиндры большого диаметра формируют кросс-поляризационные сигналы приближенно по тем же законам, как и касательная плоскость, проведенная к цилиндру по наиболее близко расположенной образующей;

• регистрируемые кросс-поляризационные сигналы не дают существенного энергетического и информационного выигрыша при приёме отраженных сигналов от объектов простой конфигурации, но значительно усложняют структуру радиолокатора подповерхностного зондирования.

Дальнейшие исследования и разработки следует направить на повышение чувствительности поляризационного локатора к кросс-поляризационным отраженным сигналам и изучение возможностей применения его для распознавания типа скрытых объектов.

7. Проведен ряд экспериментальных исследований с целью изучения практической эффективности рассмотренных в работе процедур обработки и сформирована база данных в виде набора радиолокационных сигналов в условиях различных сред и отражающих объектов. Результаты этих исследований могут быть использованы для тестирования и корректировки разрабатываемых методов и программных средств.

8. Создан пакет программных средств, реализующих новые приемы отображения и удобные для интерпретатора методы интерактивной обработки трехмерной радиолокационной информации. Этот пакет внедрен в последние версии РЛПЗ «Дефектоскоп» и может быть использован в других импульсных РЛПЗ.

116

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бодров, Владимир Юрьевич, 2005 год

1. Виргинский B.C., Хотеенков В.Ф. Очерки истории науки и техники 1870-1917 гг.-М.: "Просвещение", 1988.

2. Joachim Ender. 98 Years of RADAR Principle: Inventor Christian Hulsmeyer. Memorial Speech in Town Hall of Cologne. 4th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR-2002), 4-6 June 2002, Cologne, Germany.

3. Резников A.E., Копейкин B.B., Морозов П.А., Щекотов А.Ю. Разработка аппаратуры, методов обработки данных для электромагнитного подповерхностного зондирования и опыт их применения. Москва, РАН. Успехи физических наук. №5, 2000 г.

4. Финкельштейн М.И., Мендельсон В.Л., Кутев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. М., Советское Радио, 1977, 174 с.

5. Evans S. Radio techniques for the measurement of ice thickness. The Polar Record, Vol 11, No 73, 1963, p. 406.

6. Финкельштейн М.И., Кутев B.A., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. М.: Недра, 1986, 128 с. ил.

7. Финкельштейн М.И. Подповерхностная радиолокация. М., Радио и связь, 1994,216 с.

8. Proceedings 9-th International Conference on Ground Penetrating Radar, April 29-May 2, 2002, Santa Barbara, California, USA.

9. Proceedings 10-th International Conference on Ground Penetrating Radar, 21 -24 June. 2004, Delft, The Netherlands.

10. Ю.Помозов B.B., Семейкин Н.П. Георадар как универсальный поисковый прибор // Спец. техника. 2001. - № 2. - с.2-6.

11. П.Бугаев А.С., Васильев И.А., Ивашов С.И., Разевиг В.В., Шейко А.П. Обнаружение и дистанционная диагностика людей за препятствиями с помощью РЛС. Радиотехника. №7, 2003, стр. 42-47.

12. A1-Nuaimy W., Huang Y., Shihab S., and Eriksen A. Automatic target detection in GPR data. 9-th Conference on Ground Penetrating Radar, Steven Koppenjan and Hua Lee, Editors, Proceedings of SPIE, 2002, pp. 139-143.

13. Youn H.S., Chen C.C. Automatic GPR target detection and clutter reduction using neural network. 9-th International Conference on G.P.R., S. Barbara, CA, May 2002.

14. Daniels D. J. Surface-Penetrating Radar. London, UK.: IEE, 1996.

15. Cook J.S. Radar transparencies of mine and tunnel rocks. Geophys., 1975, 40, pp. 865-885.

16. Владов M.JI., Калинин А.В., Хмелевской В.К. Современная георадиолокация. // Разведка и охрана недр. 2001 . № 3. с. 2-6.

17. Peters L.Jr., Daniels J.J., Young J.D., Ground Penetrating Radar as Subsurface Environmental Sensing Tools, Proceedings of the IEEE, Vol. 82, No. 12, December 1994, pp. 1802-1822.

18. Марчук B.H. Алгоритмы сбора и обработки СШП сигналов импульсных георадаров // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи иакустике: Всерос. науч. конф., Муром, 1-3 июля 2003 г.: Сб. докл. -Муром, 2003. с.220-224.

19. Головко М.М., Почанин Г.П. Применение преобразования Хо для автоматического обнаружения объектов на георадиолокационном профиле. // Электромагнитные волны и электронные системы, 2004, т.9, № 9-10. — с.22-30.

20. Чжань Л.Ч., Моффэтт Д.Л., Питере Л. мл. Определение характеристик подповерхностных радиолокационных объектов. // ТИИЭР, т.67, №7 июль 1979.

21. Щербаков Г.Н. Параметрическая локация новый метод обнаружения скрытых объектов // Спец. техника. - 2000. - № 4. - с.52-57.

22. Андреев Г.А., Заенцев Л.В., Яковлев В.В. Радиоволновые системы подповерхностного зондирования // Зарубежн. радиоэлектрон. 1991. -№ 2. - с.3-22.

23. Гринев А.Ю., Зайкин А.Е., Чебаков И.А. Определение электрофизических и геометрических параметров сред методом вычислительной диагностики // Радиотехника. 2001. - № 3. - с.21-27.

24. Костылев А.А. Вычислительные методы повышения разрешающей способности сверхширокополосных геолокаторов // Соврем, технологии извлечения и обработки информации: Сб. науч. тр. СПб.: Радиоавионика, 2001. - с. 146-149.

25. Андриянов А.В., Терешенков Д.А. Методы и алгоритмы обработки информации при подповерхностном зондировании электромагнитными импульсами // Вестн. Верх.-Волж. отд. Акад. технол. наук РФ. Сер.: Высок, технол. в радиоэлектрон. 1996. - №1(2). - с. 11-14.

26. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Дудник А.В. Глава Вопросы подповерхностной радиолокации. Развитие георадаров серии «ОКО». Глава 10 коллективной монографии «Вопросы подповерхностной радиолокации» под ред. А.Ю. Гринева. М.: Радиотехника, 2005, с. 231236.

27. Абрамов А.П., Васильев А.Г., Копейкин В.В., Морозов П.А. Модификации георадаров для морских подводных работ. Институт археологии РАН, ИЗМИРАН г.Троицк; Фонд подводных археологических исследований им. В.Д.Блаватского. Древности Боспора, №6, 2003.

28. Андриянов А.В. Генераторы, антенны и приемные устройства сверхширокополосных сигналов НТП "Тензор" // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: Всерос. науч. конф., Муром, 1-3 июля 2003 г.: Сб. докл. Муром, 2003. - с.466-470.

29. Андрюхин А.Н., Линников О.Н., Суриков Б.С., Трусов В.Н. Трехмерный радиолокатор подповерхностного зондирования "Дефектоскоп". // Разведка и охрана недр, 2001, №3, с. 24-25.

30. Andryukhin A.N., Linnikov O.N., Trusov V.N., Surikov B.S. 3-D Surface-Penetrating Radar "Defectoscope". 2001 CIE Intern. Conf. on Radar Proceedings, Oct. 15-18, 2001, Beijing, China, pp. 65-70.

31. Линников O.H., Сосулин Ю.Г., Андрюхин A.H., Трусов B.H., Суриков Б.С., Толмазов Б.Б. Радиолокатор подповерхностного зондирования "Дефектоскоп". // Радиотехника, 2002, №7, с. 45-50.

32. Linnikov O.N., Sosulin Yu.G., Tolmazov B.B., Trusov V.N., Yufryakov B.A. Pulse Surface-Penetrating Radar: Constructive Peculiarities and Data Processing. // In Proc. of Intern. Radar Symposium, Sept. 30 Oct. 2, 2003, Dresden, Germany, pp. 307-312.

33. Андрюхин A.H., Линников O.H., Сосулин Ю.Г., Сухов А.Д., Трусов В.Н., Юфряков Б.А. Радиоинтроскоп. Патент РФ на изобретение № 2004110699/09 от 09.04.2004.

34. Andryukhin A.N., Linnikov O.N., Trusov V.N., Yufryakov B.A., Bodrov V.Yu., Sosulin Yu.G. Pulse GPR with optoelectronic sensor. In Proc. of 10th International Conference on Ground Penetrating Radar, June 21-24, 2004, Delft, The Netherlands, pp. 187-190.

35. Поляков А.Ю. Методы и алгоритмы компьютерной графики в примерах на Visual С++. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 416 с.

36. Линников О.Н., Сосулин Ю.Г., Толмазов Б.Б., Трусов В.Н., Юфряков Б.А. Обработка сигналов и изображений в импульсном радиолокаторе подповерхностного зондирования. Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №7.

37. Arai I., Suzuki Т. Synthetic Aperture for Subsurface Radar. // Proceedings of ISAP 1985, vol. 152, №1. p.655.

38. Строителев В.Г. Методы обработки сигналов при подповерхностном зондировании. //Зарубежная радиоэлектроника, 1991, №1. с. 95.

39. Нестеров Т.Т., Сазонов В.В. Предварительная обработка экспериментальных данных по подповерхностному зондированию // 5-я Междунар. науч.-техн. конф. "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 20-23 апр. 1999 г. Т.2. Воронеж, 1999. - с.988-995.

40. Shihab S., Al-Nuaimy W. and Eriksen A. Radius Estimation for Subsurface Cylindrical Objects Detected By Ground Penetrating Radar. Proc. of 10-th Intern. Conference on Ground Penetrating Radar, June 21-24, 2004 Delft, The Netherlands, pp. 319-322.

41. Al-Nuaimy W., Shihab S. and Eriksen A. Data Fusion for Accurate Characterisation of Buried Cylindrical Objects Using GPR. Proc. of 10-th Intern. Conference on Ground Penetrating Radar, June 21-24, 2004 Delft, The Netherlands, pp. 359-362.

42. Юфряков Б.А., Суриков Б.С., Сосулии Ю.Г., Линников О.Н. Метод интерпретации данных радиолокаторов подповерхностного зондирования. // Радиотехника и электроника. 2004. - т. 49, № 12. - с. 1436-1451.

43. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В. А. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Советское радио, 1966. - 440 с.

44. Roth F., van Genderen P., and Verhaegen M. Processing and analysis of polarimetric ground penetrating radar landmine signatures. In Proc. of the 2nd Int. Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar, Delft, The Netherlands, 2003, pp. 70-75.