автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Цифровая обработка сигналов и изображений в импульсном радиолокаторе подповерхностного зондирования

На правах рукописи

Толмазов Борис Борисович

УДК 621.396.96

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИМПУЛЬСНОМ РАДИОЛОКАТОРЕ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете)

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Сосулин Ю.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Чапурский В. В. кандидат технических наук, Седлецкий P.M.

Ведущая организация — ЗАО «Научно-технический центр системного моделирования» (НТЦСМ), г.Москва.

Зашита состоится «_»-_2004 г. (_) в_часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу:

125993, ГСП-3, А-80,, Москва; Волоколамское шоссе, д.4. Ученый совет МАИ. Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.125.03.

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, кандидат технических наук

Сычев М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Диссертационная работа посвящена вопросам цифровой обработки сигналов и изображений в импульсных радиолокаторах подповерхностного зондирования (РЛПЗ), которые в настоящее время получили наибольшее распространение при решении многих практических задач, связанных с неразрушающим исследованием различных сред, в том числе и при диагностике строительных конструкций. Существенными преимуществами этих РЛПЗ являются: простота схем формирования и приема сигналов; обеспечение максимального проникновения излучения в грунт 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 подобных 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.

В СССР решением задач подповерхностной радиолокации с конца шестидесятых годов активно занималась кафедра радиолокации Рижского института инженеров гражданской авиации под руководством д.т.н., проф. М.И. Финкельштейна. В 1977 году решением Государственного комитета по науке и технике создана Проблемная лаборатория авиационной подповерхностной радиолокации (ПЛАПР) при Рижском авиационном университете. На базе этой лаборатории в 1989 году создана НПФ "Радарные Системы" (до 1996 года - "Радар"), выпускающая в настоящее время РЛПЗ серии «Зонд». Среди российских разработок можно отметить РЛПЗ серии «Раскан» (Лаборатория Дистанционного Зондирования), георадары серии Грот и Лоза (ЗАО «Таймер» совместно с ЗАО «Технодалс»), георадары серии «ОКО» (совместная разработка ООО "Логические системы" и ГП НИИ Приборостроения им. В.В.Тихомирова), радары сери «Герад» (ИРЭ РАН), а также радиолокаторы подповерхностного зондирования, выпускаемые НТП «Тензор» и ЗАО «Научно-технический центр системного моделирования».

Все эти радары обладают высокими показателями качества. Однако требования к ним постоянно повышаются, появляются все новые, более сложные, задачи, связанные с обнаружением и распознаванием подповерхностных объектов. Возможности дальнейшего повышения эффективности РЛПЗ за счет совершенств в значи-

ЕИБЛНОТЕКА I

тельной мере уже исчерпаны, в силу существования некоторых физических пределов, ограничивающих возможности радиоэлектронных элементов. В то же время возможности повышения эффективности РЛПЗ путем совершенствования математико-программного обеспечения, включая алгоритмы обработки радиолокационных сигналов и изображений, далеко не исчерпаны. Поэтому вопросы создания эффективных алгоритмов обработки радиолокационных сигналов и изображений и программного обеспечения РЛПЗ являются актуальными. Решению этих вопросов посвящена данная диссертационная работа.

Цель и задачи работы

Целями настоящей работы является повышение эффективности обработки данных радиолокационного зондирования при обнаружении. малоразмерных объектов (металлические штыри, пластины, полые пластмассовые трубы) в различных средах, используемых в строительных конструкциях (песок, бетон, кирпич), и разработка программного обеспечения, реализующего наиболее эффективные методы и алгоритмы. В соответствии с поставленными целями диссертации решаются следующие задачи:

1. Исследование возможностей повышения эффективности процедуры синтезирования апертуры для улучшения с разрешающей способности в направлении, перпендикулярном направлении зондирования,-Разработка методики учета зависимости профиля протяженного объекта от угла между его продольной осью и базой антенной системы.

2. Разработка интерактивной процедуры адаптивной пороговой обработки, позволяющей эффективно выделять объекты на фоне помех вне зависимости от затухания в среде.

3. Исследование возможностей улучшения качества радиолокационных изображений методами цифровой обработки оптических изображений. Разработка методики выбора процедур обработки и порядка их применения, а также выбора параметров.

4. Исследование возможностей повышения качества обнаружения и распознавания малоразмерных объектов в среде за счет совместной обработки двух наборов радиолокационных данных для ортогональных поляризаций зондирующего сигнала.

5. Разработка программного обеспечения, предназначенного для визуализации и обработки данных импульсного радиолокатора подповерхностного зондирования.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы статистической радиотехники, цифровой обработки сигналов и изображений, объектно-ориентированного подхода для создания программного обеспечения, программирования трехмерной графики, экспериментальных исследований в подповерхностной радиолокации.

Научная новизна работы

1. Разработана методика повышения эффективности синтезирования апертуры за счет выбора зоны синтезирования и учета изменения радиолокационного профиля протяженных объектов в зависимости от угла между продольной осью объекта и базой антенной системы.

2. Предложена и проанализирована новая процедура адаптивной пороговой обработки, не чувствительная к затуханию в среде и позволяющая более эффективно устранять шумы и помехи без подавления полезного сигнала.

3. Разработана методика применения алгоритмов цифровой обработки оптических изображений для повышения качества радиолокационных изображений. Методика включает в себя выбор фильтров и их параметров (тип и размер выборки), а также порядок их применения.

4. Разработана процедура совместной обработки двух наборов данных для ортогональных поляризаций, повышающая качество обнаружения и распознавания объектов, в том числе и тогда, когда одни из них заслоняют другие.

Практическая ценность результатов работы Проведен большой объем экспериментальных исследований с целью определения эффективности различных процедур обработки данных радиолокационного зондирования. Результаты этих исследований позволяют оператору выбирать последовательность применения алгоритмов обработки; даны рекомендации по выбору параметров обработки.

Разработано программное обеспечение, предназначенное для цифровой обработки данных радиолокационного зондирования. Программа использовалась в выпускаемых ЗАО «НТЦСМ» импульсных РЛПЗ, что подтверждено соответствующим актом внедрения. Структура программного обеспечения позволяет легко модифицировать программу визуализации и обработки данных в соответствии со спецификой решаемых задач.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные процедуры выбора области синтезирования и учета угла между продольной осью протяженных объектов и базой антенной системы позволяют повысить эффективность синтезирования апертуры и увеличить разрешающую способность РЛПЗ.

2. Разработанная интерактивная процедура адаптивной пороговой обработки эффективно устраняет шумы и помехи без подавления полезного сигнала.

3. Повышение качества радиолокационных изображений подповерхностной среды и расположенных в ней объектов достигается применением методов цифровой обработки оптических изображений, при этом фильтр сглаживания позволяет повысить качество последующей адаптивной пороговой обработки, а трехмерный медианный фильтр в большей степени устраняет отражения от мелких не-однородностей среды, оставшиеся на изображениях после адаптивной пороговой обработки, чем двумерный.

4. Совместная обработка двух наборов радиолокационных данных для ортогональных поляризаций зондирующего сигнала обеспечивает обнаружение и различение металлических предметов и пустот в среде.

5. Разработанный комплекс программных средств и его отдельные модули целесообразно использовать при создании: импульсных-РЛПЗ.

Апробациярезультатовработы

Результаты диссертации доложены на Всерос межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (2022 апреля 1998 г., Зеленоград), 3-й Всерос. науч. конф. «Применение дистанционных радиофиз. методов в исследованиях природной среды» (17-18 июня 1999 г., Муром), Межд.конф. CIE Intern. Conf. On Radar (15-18 октября 2001 г., Китай), 5-й Межд. конф. и выставке "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (12-14 марта 2003 г., Москва), Всероссийск. научн. конф. "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и аккустики" (1-3 июля 2003, Муром), Межд. конф. Intern. Radar Symposium (30 сентября - 2 октября 2003 г, Германия).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в журналах «Радиотехника», «Радиотехника и электроника», в двух сборниках трудов МАИ, в трудах трех Всероссийских и трех Международных научно-технических конференций.

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 126 листах машинописного текста, включая 52 листа иллюстраций. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, включающего 69 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, проанализировано состояние проблемы, сформулирована цель работы, даны сведения о методах исследования, используемых в процессе работы над диссертацией. Представлены новые научные результаты, описана практическая ценность результатов работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные особенности подповерхностной радиолокации малой дальности. Дано описание принципа работы и конструктивных особенностей импульсного радиолокатора подповерхностного зондирования «Дефектоскоп», с помощью которого проводились экспериментальные исследования.

В этой же главе рассмотрены вопросы, связанные с регистрацией и визуализацией радиолокационных данных. В диссертационной работе используются два метода отображения трехмерных данных. Применение первого — метода плоских сечений — целесообразно при детальном анализе пространства сигналов в интерактивном режиме. При этом осуществляется переход к полутоновым или цветным изображениям и затем проводится дополнительная обработка, в частности, выделение информационно ценных участков полученных изображений. Второй тип визуализации, основанный на методе трехмерной графики, удобен при отображении результатов обнаружения и построении пространственных изображений скрытых объектов. Трехмерная визуализация осуществляется для всего пространства сигналов, рассматриваемого как трехмерный массив, каждому элементу которого, кроме координат, сопоставляется цвет, яркость и коэффициент прозрачности. Реализация такого представления данных с помощью разработанного на основе объектно-ориентированного подхода и технологии трехмерной графики программного обеспечения позволяет визуализировать исследуемую среду с качеством, определяемым разрешением элементов массива. Оператор имеет возможность наблюдать подповерхностные объекты при разных ракурсах, в результате чего снижается вероятность ошибочных решений при обнаружении и идентификации объектов.

Вторая глава посвящена исследованию процедуры синтезирования апертуры. Рассмотрены различные возможности повышения эффективности этого алгоритма. Синтезирование апертуры, или сбор данных по радиолокационному профилю, используется для повышения разрешения в направлении, перпендикулярном направлению зондирования. Процедура синтезирования сводится к суммированию данных по радиолокационному профилю цели. Обобщенный алгоритм синтезирования можно представить в виде:

= ИъАхчУ}Лх1 -x(»yJ-УОА)\>

где - значение временной выборки с координатами

(х0,у0,1) после синтезирования апертуры; — координаты то-

чек, включенных в зону синтезирования И,.; Ьц — весовые коэффициенты суммирования; - значения временной выборки пространства сигналов до синтезирования; г(...) — время запаздывания сигнала. Зона

синтезирования может иметь различную конфигурацию. В частности, при синтезировании вдоль оси Хзона синтезирования представляет собой отрезок, параллельный оси X. При синтезировании вдоль оси У зона синтезирования — отрезок, параллельный оси У. Зона синтезирования может быть также частью плоскости.

0 10 20 30 40 50 ■

0 10 20 30 40 50

У. см

X, см 0 ■

10-

20- * |

30-

40-

50-

У. см

0 10 20 30 40 50

-1—-1-—|-^-|Х,см

У. см

6)

в)

Рис.1. Изображения двух круглых металлических пластин для различных зон

синтезирования.

Синтезирование апертуры по нескольким радарограммам, которое можно назвать трехмерным или пространственным, целесообразно применять для небольших объектов, радиолокационный профиль которых представляет собой гиперболу или близок к ней как вдоль оси X, так и вдоль оси У. В этом случае зона синтезирования представляет со-

бой квадрат, сторона которого равна Ь. При этом в еще большей степени подавляются шумы, а также устраняются искажения формы объекта, возникающие при синтезировании только вдоль одной из осей.

На рис. 1а представлено исходное радиолокационное изображение в плоскости ХУ двух круглых металлических пластин диаметром 25 мм; на рис.1б — изображение пластин в той же плоскости после синтезирования апертуры вдоль оси X, когда суммирование данных проводилось для каждого профиля без учета соседних; зона синтезирования представляет собой при этом отрезок. Как видно, форма изображения объектов после обработки исказилась. Избежать этого эффекта и дополнительно подавить шумы можно, взяв в качестве зоны синтезирования-квадрат (рис. 1 в); суммирование данных при этом осуществляется по поверхности, близкой к гиперболоиду.

В ходе экспериментальных исследований было замечено, что радиолокационные профили протяженных объектов существенно зависят от их пространственной ориентации. Причем наблюдается не только ослабление сигнала, обусловленное изменением отражающих свойств исследуемых объектов, но и изменение формы профиля. Это объясняется тем, что момент первого появления сигнала, отраженного от протяженного объекта, зависит от его геометрического положения по отношению к базе антенной системы АС (расстояние между приемной и передающей антеннами равно 2ё) и определяется кратчайшим путем этого сигнала (расстояния Ях и Я2 на рис.2а).

На рис.2б приведены профили тонкого металлического проводника, полученные путем расчета для разных значений угла между базой антенной системы и продольной осью объекта. Видно, что при углах, больших 15, наблюдается заметное изменение формы радиолокацион-

о

6)

Рис. 2,

ного профиля; если это не учитывать, то эффективность синтезирования апертуры снижается. Учет пространственной ориентации цели заключается во введении поправочного коэффициента в формулу для вычисления кривой, по которой идет сбор данных, что позволяет повысить качество обработки.

На рис.3 представлены радиолокационные профили металлического штыря, расположенного под углом 45* к базе антенной системы. Исходный профиль показан на рис.За; результат синтезирования апертуры вдоль оси А'без учета ориентации штыря, т.е. в предположении, что <р—0', приведен на рис.3 б; с учетом ориентации (т.е. при ^7=45") - на

рис.3 в. Видно, что учет пространственной ориентации протяженного объекта существенно повышает качество обработки. Угол между продольной осью протяженного объекта и базой антенной системы чаще всего неизвестен, однако может быть оценен оператором визуально с использованием например, метода плоских сечений.

В этой же главе рассмотрен фильтр сжатия импульса, используемый для повышения разрешающей способности по глубине, и вопросы, связанные с выбором опорного сигнала и параметра стабилизации.

В третьей главе представлен новый алгоритм адаптивной пороговой обработки. Использование постоянного порога для всего массива данных не учитывает затухание в среде и приводит к неравномерному по глубине подавлению сигналов при пороговом сравнении. В большинстве сред, в том числе строительных конструкциях, затухание меняется в весьма широких пределах и компенсировать его сложно.

Адаптивный порог рассчитывается для каждого значения глубины. При этом не требуется компенсировать затухание в среде и можно выделить слабый сигнал на фоне шумов и помех. Недостаток известной процедуры адаптивной пороговой обработки заключается в том, что при отсутствии в срезе по глубине полезного сигнала порог будет вычислен через статистические характеристики шумов и помех. При этом часть сигналов будет принята информационно ценной, так как будет превышать порог. Это приведет к возникновение помеховых отметок.

Целесообразна модификация адаптивной пороговой обработки путем введения второго порога, значение которого не зависит от выборочного средне-квадратического отклонения (СКО), а определяется динамическим диапазоном регистрируемых сигналов. Предлагаемый алгоритм можно записать в виде

где - значение сигнала в точке с координатами Адап-

тивный порог u(z) - больший из двух порогов «^(z) и ы^^г)» которые рассчитывается для каждого значения глубины z в плоскости XY: = ™{z) + c¡a(z), имк1 (z) = m(z)+с2 (í^ - sMJ,

где m(z) = __í__ ГЩз(х,у,г) - выборочное среднее в плоскости XY;

- выборочное СКО;

sAmc ~s>«»- диапазон возможных значений сигнала всего массива данных.

Порог в значительной степени определяется выборочным

СКО и может сильно изменяться в зависимости от глубины. Порог рассчитывается с учетом динамического диапазона, который

одинаков для всех значений глубины. Процедура адаптивной пороговой обработки носит интерактивный характер, параметры с, и с2 выбираются оператором с использованием классифицированных обучающих выборок, которые могут быть получены в ходе предварительного исследования среды. В качестве этих выборок оператор использует не менее двух временных сечений (срезов в плоскости XY), одно из которых содержит полезный сигнал (отражения от наблюдаемых объектов), а другое сечение содержит один шум (помехи). Для этих сечений оператор подбирает такие значения с, и с2, при которых обеспечивается

V макс У'\ )

подавление шумов и помех и выделение информативно ценных участков. Выбранные коэффициенты используются затем для всех значений глубины исследуемых данных радиолокационного зондирования.

Работа алгоритма в случае трехмерной визуализации проиллюстрирована на рис.4 при наблюдении двух металлических штырей, расположенных в песке с примесью мелких камней на глубине 10 см под углом 30° друг к другу. Выбранные параметры адаптивного порога; использующего только статистические характеристики, обеспечивают обнаружение искомых объектов, однако радиолокационное изображение содержит и большое число помеховых отметок (рис. 4а). Повышая значение адаптивного порога путем увеличения коэффициента сх, можно частично очистить изображение от шумов и помех, однако при этом ослабляется (дробится) полезный сигнал (рис.4б). Введение второго порога, позволяет в большей степени очистить изображение от поме-ховых отметок при сохранении полезного сигнала (рис.4в).

а) В) в)

Рис.4. Трехмерная визуализация двух штырей в песке для разных видов пороговой обработки.

Четвертая глава посвящена исследованию эффективности применения методов цифровой обработки оптических изображений для обработки данных радиолокационного зондирования. Радиолокационные изображения содержат обычно наряду с полезной информацией различные шумы и помехи. Подавить их можно применением различных фильтров, широко используемых в практике цифровой обработки изображений. Многообразие возможных изображений, получаемых в результате радиолокационного исследования среды, в большинстве случаев затрудняет использование вероятностных моделей и статистических критериев оптимальности при их обработке. Вместе с тем приме-

нение некоторых эвристических методов позволяет существенно повысить качество радиолокационных изображений.

Изрезанность изображения и высокочастотные шумы значительно снижают эффективность пороговой обработки, когда каждое значение сигнала сравнивается с порогом без учета значений в соседних элементах разрешения. При этом на результирующем изображении остается большое число помеховых выбросов. Применение фильтра сглаживания повышает качество адаптивной пороговой обработки.

В результате применения фильтра сглаживания отношение сигнал-шум возрастает с увеличением площади маски. С другой стороны, работа фильтра сглаживания сопровождается и размытием контуров изображения, так как на границе объект-среда всегда имеет место высокочастотный перепад яркости. Поэтому выбор типа и размера маски должен удовлетворять компромиссу между сглаживанием помех и достаточной четкостью изображения после фильтрации.

На рис.5а представлено изображение двух металлических штырей в песке до обработки, а на рис.5б — после адаптивной пороговой обработки. Так как отраженный от штырей сигнал относительно слаб, то на> изображении осталось также довольно много шумов и помех, которые носят высокочастотный характер и могут быть в значительной степени устранены фильтром сглаживания (рис.5в), что приводит к более эффективной работе адаптивной пороговой обработки (рис.5г).

Медианная фильтрация - метод нелинейной обработки, который может быть использован для подавления импульсных помех, оставшихся после адаптивной пороговой обработки. Особенность алгоритма заключается в том, что он, эффективно подавляя импульсные помехи, в меньшей степени сглаживает границы изображения, чем линейная фильтрация. Применяется крестообразное или квадратное окно, имеющее центральную симметрию, при этом его центр располагается в текущей точке фильтрации, а окно охватывает нечетное число элементов

изображения (2N — 1) для крестообразной маски или N элементов для квадратного окна, формируя рабочую выборку, где N - целое нечетное число.

Медианный фильтр с крестообразным окном обеспечивает полное подавление помеховых изображений, содержащих не более (N— 1) элементов разрешения. Для квадратного окна полное подавление сигнала возможно, если помеховое изображение состоит не более чем из (N— \) /2 + N— 1) элементов разрешения. Если ширина изображения помехи не больше (N—1)/2 элементов разрешения, то она будет полностью подавлена медианным фильтром с квадратной маской, независимо от высоты изображения. Аналогично, будет полностью подавлена помеха, высота изображения которой не более (N—1)/2 элементов разрешения.

0 10 20 30 40

0 10 20 30 40

X, см о- Х,см 0-

10- 10-

20- • и 20-

30- • _ 30-

40- 121 40-

0 1 0 20 30 40

X, см

У, см

У, см

У, см

а)

б)

в)

Рис.6. Изображения двух металлических пластин после адаптивной пороговой обработки (а) и медианной фильтрации с крестообразным (б) и квадратным (в)

окном.

На рис.6 приведено изображение двух квадратных металлических пластин 1 и 2 после адаптивной пороговой обработки (а) и последующей медианной фильтрации с разными типами масок. Как видно, медианный фильтр с крестообразной маской обладает меньшей эффективностью, однако в меньшей степени искажает форму полезного изображения.

Применение трехмерной фильтрации целесообразно в тех случаях, когда двумерной фильтрации недостаточно для подавления локальных шумов и помех. Это будет тогда, когда маску приходится выбирать слишком большой, что приводит к подавлению отражений и от искомых объектов. Переход к трехмерным выборкам позволяет подключать соседние срезы по глубине и проводить фильтрацию с учетом про-

странственного положения объектов. Отражения от объектов обычно присутствуют в нескольких соседних срезах, в то время как шумы и помехи носят импульсный или локальный характер. Размер маски определяется минимальными пространственными размерами искомых объектов.

На рис.7а приведено изображение двух металлических штырей, расположенных в песке под углом 30е друг к другу, после адаптивной пороговой обработки. Импульсные помехи, оставшиеся после пороговой обработки, обусловлены наличием мелких камней в среде. Применение двумерного медианного фильтра частично устраняет эти помехи (рис.7б). Подключение соседних по глубине слоев для формирования выборки и применение трехмерного медианного фильтра позволяет полностью очистить изображение от помех (рис.7в). Следует отметить, что время обработки при трехмерной медианной фильтрации существенно возрастает и определяется алгоритмом сортировки рабочей выборки и размером окна.

Рис. 7. Изображения двух металлических штырей после адаптивной пороговой обработки (а), после двумерной(б) и трехмерной (в) медианной фильтрации.

Также в пятой главе рассмотрена процедура масштабирования со сглаживанием данных зондирования с целью получения новых, более информативных изображений.

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с возможностью повышения эффективности обнаружения и распознавания подповерхностных объектов за счет использования поляризационных свойств объектов. Поляризационная селекция отраженных сигналов, учитывающая поляризационные характеристики подповерхностных объектов, позволяет существенно улучшить их наблюдаемость и обеспечить возможность распознавания объектов.

Отражения от металлической пластины сильно зависят от ее положения относительно вертикальной плоскости и практически не зависят

о

о

о

к

У

от ориентации пластины в горизонтальной плоскости независимо от направления поляризации зондирующего сигнала. Зондирование среды с двумя ортогональными поляризациями позволяет отличать металлические трубы от полых пластмассовых труб (рис.8а,б) Металлические протяженные объекты всегда могут быть обнаружены при зондировании среды двумя сигналами с взаимно ортогональными поляризациями и последующей совместной обработке данных (рис.8в), при этом получаемые изображения позволяют определить ориентацию объектов в плоскости зондирования.

О 10 20 30 40 0 10 20 30 40

а) б) в)

Рис. 8. Изображения полой пластмассовой трубы 1 и металлического штыря 2 для Х-поляризации (а) и У-поляризации (б); пространственная визуализация бетонной

стены с арматурой (в).

Формирование наборов данных для ортогональных поляризаций позволяет обнаруживать объекты и тогда, когда одни заслоняют другие. В качестве примера рассмотрим случай, когда пятирублевая монета (диаметр 25 мм) расположена на 2 см глубже металлического штыря диаметром 5 мм и длиной 30 см, который расположен параллельно оси У. При У-поляризации монета не видна, так как скрыта сильными отражениями от штыря (рис.9а). Однако, она хорошо видна для X-поляризации, когда отражения от металлического штыря отсутствуют (рис.9б). Складывая изображения для обеих поляризаций, получаем результирующее изображение (рис.9в), на котором видны оба объекта, причем можно оценить как размеры объектов, так и их положение относительно друг друга.

Шестая глава посвящена основным вопросам разработки программного обеспечения (ПО), которое можно использовать в импульсных РЛПЗ, а также применять для исследования эффективности методов и алгоритмов обработки данных радиолокационного зондирования. В главе рассмотрены вопросы, связанные с объекто-ориентированным программированием систем визуализации и обработки данных в среде Windows. К этим вопросам относятся жизненный цикл ПО, декомпозиция системы, а также проектирование пользовательского интерфейса с целью повышения эффективности системы и упрощения ее внедрения, эксплуатации и последующей модернизации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны методики выбора зоны синтезирования и учета угла между продольной осью протяженных объектов и базой антенной системы, повышающие эффективность синтезирования апертуры.

2. Предложена и проанализирована новая процедура адаптивной пороговой обработки, учитывающая затухание радиоволн в среде и эффективно подавляющая помехи без потери полезного сигнала.

3. Показано, что применение фильтра сглаживания существенно повышает качество последующей адаптивной пороговой обработки.

4. Разработана методика применения медианой фильтрации для повышения качества радиолокационных изображений подповерхностной среды и объектов. Показано, что медианная фильтрация позволяет эффективно устранять оставшиеся после адаптивной пороговой обработки отражения от мелких неоднородностей среды, сохраняя четкость и контрастность радиолокационных изображений подповерхностных объектов.

5. Проведен сравнительный анализ двумерной и трехмерной медианной фильтрации. Выявлена зависимость качества обработки и скорости работы фильтра от типа выборки и ее размера, а также от выбранного алгоритма сортировки выборки.

6. Предложена процедура трехмерного масштабирования массива данных зондирования со сглаживанием, позволяющая повысить качество формируемых радиолокационных изображений и тем самым улучшить наблюдаемость расположенных в среде объектов.

7. Разработана процедура формирования и обработки наборов радиолокационных данных для ортогональных поляризаций зондирующих сигналов, позволяющая обнаруживать и распознавать некото -рые объекты (металлические пластины и штыри, полые пластмассовые трубы) в среде, в том числе и в случаях, когда одни объекты заслоняют другие.

8. Разработана методика проведения обработки данных зондирования, включающая в себя выбор и последовательное применение наиболее эффективных процедур, с целью повышения наблюдаемости объектов в среде и увеличения скорости работы оператора.

9. Разработан комплекс программных средств для цифровой обработки данных радиолокационного зондирования, использование которого в целом и даже его отдельных модулей повышает эффективность импульсных РЛПЗ. Структура программного обеспечения позволяет легко модифицировать программы визуализации и обработки данных в соответствии со спецификой решаемых задач.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Саленко Д.Е., Толмазов Б.Б. Обнаружение и распознавание подповерхностных объектов с использованием поляризационных признаков. // Сб. тезисов статей научно-исслед. работ студентов. - М: Изд-во МАИ, 1998.

2. Саленко Д.Е., Толмазов.Б.Б., Сосулин Ю.Г. Распознавание подповерхностных объектов с использованием поляризационных признаков. // Микроэлектроника и информатика - 98: Всерос. межвуз. на-

уч.-техн. конф. студентов и аспирантов, Зеленоград, 20-22 апреля 1998 г., тезисы докладов, часть 2, С.229.

3. Саленко Д.Е., Сосулин Ю.Г., Толмазов Б.Б. Радиолокационное распознавание некоторых подповерхностных объектов по поляризационным признакам. // Применение дистанционных радиофиз. методов в исследованиях природной среды: 3-я Всерос. науч. конф., Муром, 17-18 июня 1999 г.: Сб. докл. / Владимир, гос. ун-т. Муром, инт (филиал). - Муром, 1999. - С.98.

4. A.N.Andryukhin, O.N.Linnikov, V.N.Trusov, B.S.Surikov, Yu.G.Sosulin, B.B.Tolmazov. 3-D surface-penetrating radar. "Defecto-scope". - 2001 CIE Intern. Conf. On Radar Proceedings, Beijing, China, Oct. 15-182001, p.65.

5. Линников О.Н., Сосулин Ю.Г., Андрюхин А.Н., Трусов В.Н., Суриков Б.С., Толмазов Б.Б. Радиолокатор подповерхностного зондирования "Дефектоскоп". - Радиотехника, 2002, №7. С.45.

6. Линников О.Н., Сосулин Ю.Г., Толмазов Б.Б., Трусов В.Н., Юфря-ков Б.А Цифровая обработка сигналов и изображений в импульсном. радиолокаторе подповерхностного зондирования. - 5я Межд. конф. и выставка "Цифровая обработка сигналов и ее применение". - 12-14 марта 2003, Москва, Доклады-1. С. 100.

7. Сосулин Ю.Г., Толмазов Б.Б., Штыковский А.Е.. Пространственная визуализация данных подповерхностного зондирования. Проблемы создания перспективной авиационной техники. Сборник статей под ред. проф. Ю.Ю. Комарова, В.А.Мхитаряна. - М.: Изд-во МАИ,. 2003, стр. 278.

8. Линников О.Н., Сосулин Ю.Г., Толмазов Б.Б., Трусов В.Н., Юфря-ков Б.А. Прием и обработка сигналов в импульсном радиолокаторе подповерхностного зондирования. - Всероссийск. научн. конф. "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и аккусти-ки". Муром, 1-3 июля 2003. Сб.докл. С.381.

9. O.N.Linnikov, Yu.G.Sosulin, B.B.Tolmazov, V.N.Trusov, B.A.Yufryakov. Pulse Surface-Penetrating Radar: Constructive Peculiarities and Data Processing. - Intern; Radar Symposium*Proceedings, Dresden, Germany, Sept.3O - Okt.2 2003, p.307.

10. Линников О.Н., Сосулин Ю.Г., Толмазов Б.Б., Трусов В.Н., Юфря-ков Б.А.. Обработка сигналов и изображений в импульсном радиолокаторе подповерхностного зондирования. - Радиотехника и электроника, 2004, №7.

Соискатель

Толмазов Б.Б.

»13456

Введение

Глава 1. Регистрация и визуализация радиолокационных данных

1.1. Принцип работы и конструктивные особенности им- 18 пульсного радиолокатора подповерхностного зондирования

1.2. Регистрация данных зондирования

1.3. Визуализация данных зондирования

1.4. Выводы по главе

Глава 2. Повышение разрешающей способности

2.1. Синтезирование апертуры

2.2. Учет пространственной ориентации объектов

2.3. Фильтр сжатия импульса

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Пороговая обработка

3.1. Адаптивная пороговая обработка

3.2. Новая процедура адаптивной пороговой обработки

3.3. Выводы по главе

Глава 4. Повышение качества изображений

4.1. Фильтрация изображений

4.1.1. Фильтр сглаживания

4.1.2. Медианная фильтрация

4.1.3. Трехмерная фильтрация

4.2. Масштабирование со сглаживанием

4.3. Выводы по главе

Глава 5. Обработка с учетом поляризационных характеристик

5.1. Поляризационные характеристики

5.2. Совместная обработка двух наборов данных

5.3. Выводы по главе

Глава 6. Разработка программного обеспечения

6.1. Жизненный цикл разработки ПО

6.2. Декомпозиция

6.3. Создание программного обеспечения

6.4. Методика проведения обработки

6.5. Выводы по главе 6 Заключение

Актуальность темы

Первые идеи радиоволновых зондирований на основе фазовых измерений были высказана немецкими учеными Г.Лови и Г.Леймбахом в начале двадцатого века. Сущность метода сводилась к изучению интерференции прямых и отраженных радиоволн с целью поиска руд и воды. В дальнейшем развивалось множество вариантов интерфереционного метода. В 1925 г. А.А.Петровский провел ряд опытов по радиопросвечиванию (определение границ тени зоны высокой проводимости - теневой метод), а также разрабатывал ряд других методов. 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.

Применение радиолокации в геологической разведке стало возможным только после того, как появились полупроводниковые приборы, позволяющие генерировать импульсы длительностью несколько наносекунд, обеспечивающие разрешающую способность по глубине в единицы и доли метров. С 1960 года радиолокационный метод начинают широко использовать для определения толщины ледников. В СССР решением задач подповерхностной радиолокации с конца шестидесятых годов активно занималась кафедра радиолокации Рижского института инженеров гражданской авиации под руководством д.т.н., проф. М.И. Финкелынтейна [3, 4]. В 1977 году решением Государственного комитета по науке и технике создана Проблемная лаборатория авиационной подповерхностной радиолокации при Рижском авиационном университете. В последующие двадцать лет 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 течение последних лет 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 [1,2]. В разных странах выпускается большое количество радиолокаторов подповерхностного зондирования (РЛПЗ), предназначенных для решения важных задач в различных областях: геологии и археологии, транспортном строительстве, оборонной промышленности, промышленном и гражданском строительстве, при решении экологических проблем.

В геологии и археологии РЛПЗ используют для построения геологических разрезов, определения положения уровня грунтовых вод [5], толщины льда, глубины и профиля дна рек и озёр, границ распространения полезных ископаемых в карьерах, положения карстовых воронок и пустот, для установления мест нахождения археологических объектов и границ их распространения [6, 7].

В оборонной промышленности РЛПЗ нашли широкое применение для обнаружения мин [8-11], расположения подземных тоннелей и коммуникаций, складов оружия и техники [12]. Большое значение уделяется повышению вероятности обнаружения мин и боеприпасов, а также возможности их распознавания. В работе [13] проведено сравнение нескольких электромагнитных моделей для неразорвавшихся снарядов в земле с результатами экспериментальных исследований, отмечено влияние положения снарядов на их радиолокационные изображения и форму отраженного сигнала.

В промышленном и гражданском строительстве подповерхностная радиолокация используется 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 [14

17]). В транспортном строительстве (автомобильные и железные дороги, аэродромы) РЛПЗ применяются для определения толщины конструктивных слоев дорожной одежды и качества уплотнения 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 настоящее время увеличивается число РЛПЗ, используемых при решении вопросов охраны окружающей среды и рационального использования земель: для оценки загрязнения почв, обнаружения утечек из нефте- и водопроводов, мест захоронения экологически опасных отходов [18]. В [19] представлена автономная система для обнаружения и извлечения малоразмерных подповерхностных объектов. Система состоит из управляемого дистанционно гидравлического робота-экскаватора, лазерного обнаружителя для формирования карты местности и подповерхностного датчика для обнаружения объектов. Основное применение подобной системы авторы видят в обнаружении и извлечении локальных источников токсичного и радиационного заражения.

В [20] рассмотрены возможности применения подповерхностной радиолокации в медицине при диагностике некоторых видов заболеваний. В настоящее время осуществляются также попытки решения задач распознавания и классификации подповерхностных объектов [21], а также автоматизации процесса обнаружения с помощью нейронных сетей [22].

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 [31]:

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

2) средних (строительных) глубин — 1. .7 м;

3) приповерхностная - 0. 1.5 м.

Высокая разрешающая способность по глубине является одним из важнейших требований к РЛПЗ средних и малых глубин. В среде с диэлектрической проницаемостью € происходит замедление электромагнитной волны в корень из Гг раз. Коэффициент диэлектрической проницаемости среды очень сильно зависит от ее влажности. Например, для воздуха € = 1, для природного песчаного грунта £ = 2.6, для глины £* = 3.15, для дистиллированной воды £ = 81. Поэтому для получения высокой разрешающей способности требуется применять короткие сигналы нано- и пикосекундной длительности. Для средних глубин длительность импульса составляет порядка нескольких наносекунд, для приповерхностных глубин - доли наносекунд.

Другой важной особенностью подповерхностной радиолокации средних и малых глубин является сильное затухание сигнала в среде. В большинстве строительных конструкций применяемые материалы имеют сложный состав, поэтому затухание в них меняется в весьма широких пределах. Так, например, на частоте 1 ГТЦ 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 [33].

В отличие от распространения радиоволн в атмосфере, 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.

Как видно, 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. Для удовлетворения этих противоречивых требований необходимо использовать сверхширокополосные радиосигналы. Перечисленные особенности подповерхностной радиолокации решаются при построении видеоимпульсных РЛПЗ. Исследования показали, что наилучшей проницаемостью для типичных сред при заданной разрешающей способности обладают РЛПЗ без несущей частоты, в импульсе которых укладывается только один период колебания или меньше. При этом отношение ширины полосы к средней частоте спектра может быть больше 1 и даже приближаться к 2.

Среди локаторов подповерхностного зондирования малых дальностей большое применение нашли импульсные РЛПЗ. Существенными преимуществами таких РЛПЗ являются: простота схем формирования и приема сигналов; обеспечение максимального проникновения излучения в грунт 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.

Одним из интенсивно развивающихся в последнее время методов решения задач инженерной геофизики является радиолокационный метод исследования среды, называемый также подповерхностным зондированием или георадарным методом. 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 в расположенные в грунте (их длины много больше диаметра), электрические кабели, локальные неоднородности, подземные полости и т.д. Волны второго типа называют дифрагированными. 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 деф-рагирующего 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 и 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 [32]. 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 [33-41]. Таким образом, в первую очередь необходимо сформулировать цели обработки и определить круг задач, которые должны быть решены при обработке и интерпретации данных радиолокационного зондирования.

Подобные задачи относятся к трудноформализуемым. В настоящее время при решении таких 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.

В настоящее время РЛПЗ для неразрушающего исследования различных сред выпускаются различными российскими и зарубежными компаниями: Penetradar (США), GSSI (США), NTT (Япония), ERA Technology (Великобритания), Redifon (Великобритания), НПО «Радарные системы» (Латвия), ООО «Логические системы» (Россия), ЗАО «Таймер» (Россия) и другие.

В России выпуском РЛПЗ и разработкой математико-программного обеспечения занимается несколько компаний. В Лаборатории дистанционного зондирования спроектирован и запущен в производство радиолокатор "РАСКАН", предназначенный для зондирования строительных конструкций с высоким разрешением [23-25].

ЗАО «Таймер» разрабатывает и выпускает совместно с ЗАО «ТЕХНО-ДАЛС» георадары серии Грот и Лоза [26-28] и занимается оказанием услуг по подповерхностному зондированию этими георадарами до глубины более 50м с разрешением по горизонтали и вертикали 0.1-0.5м, на тяжелых глинистых почвах до глубины не менее 12 м. Области применения: поиск подземных металлических и неметаллических коммуникаций, обнаружение карстовых полостей, пустот и тектонических нарушений, обнаружение захоронений вредных веществ и экологически вредных отходов, неразрушающее картирование зарытых емкостей, скрытых траншей, границ загрязненных почв; определение состояния опор, мостов, туннелей, фундаментов; исследование состояния автомобильных и железнодорожных дорог, определение толщины насыпи и ее структуры.

ООО «Логические системы» и ГП НИИ Приборостроения им. В.В.Тихомирова совместно разработан ряд георадаров серии «Око», обеспечивающих зондирование различных сред, грунтов и воды на глубинах от 0.5 до 30 м с разрешающей способностью от 0.05 до 2 м [29]. Эти георадары могут быть использованы при проведении археологических работ, строительных и ремонтных работах, поиске криминальных и контрабандных захоронениях и т.п.

Научно-техническое предприятие «ТЕНЗОР» специализирующееся на создании систем и приборов для измерений во временной области (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. НТП «Тензор» выпускает несколько РЛПЗ для работы на разных глубинах [30].

Следует также отметить научно-производственную фирму «Радарные Системы» (Латвия), основанную в 1989 году на базе Проблемной лаборатории авиационной подповерхностной радиолокации при Рижском авиационном университете, которая занимается разработкой методов и аппаратуры подповерхностного зондирования для решения задач неразрушающего мониторинга среды, инженерно-геологических изысканий, измерения толщины морских и пресноводных льдов. В настоящее время этой фирмой выпускаются радары серии «Зонд».

Для экспериментальных исследований была использована одна из моделей РЛПЗ серии «Дефектоскоп» [44-46], 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, а также возможности решения задач обнаружения, определения местоположения и распознавания подповерхностных объектов) обусловлены не только элементной базой и построением аппаратной части РЛПЗ, но и разработанным математическим и программным обеспечением и, прежде всего, алгоритмами, реализующими эффективные методы цифровой обработки радиолокационных сигналов и изображений.

Болыиинство современных РЛПЗ обладают высокими показателями качества, однако требования к ним постоянно повышаются, появляются все новые, более сложные, задачи, связанные с обнаружением и распознаванием подповерхностных объектов. Возможности дальнейшего повышения эффективности РЛПЗ за счет совершенствования элементной базы в значительной мере уже исчерпаны, в силу существования некоторых физических пределов, ограничивающих возможности радиоэлектронных элементов. В то же время возможности повышения эффективности РЛПЗ путем совершенствования математико-программного обеспечения, включая алгоритмы обработки радиолокационных сигналов и изображений, далеко не исчерпаны. Поэтому вопросы создания эффективных алгоритмов обработки радиолокационных сигналов и изображений и программного обеспечения РЛПЗ являются актуальными. Решению этих вопросов посвящена данная диссертационная работа.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является повышение эффективности обработки данных импульсного радиолокационного зондирования при решении задач обнаружения малоразмерных объектов (металлические штыри, пластины, полые пластмассовые 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. Исследование возможностей повышения эффективности процедуры синтезирования апертуры для улучшения разрешающей способности в горизонтальном направлении, в частности, для протяженных объектов за счет учета угла между его продольной осью и базой антенной системы.

2. Разработка интерактивной процедуры адаптивной пороговой обработки, позволяющей эффективно выделять объекты вне зависимости от затухания в среде.

- 143. Исследование возможностей улучшения качества радиолокационных изображений методами цифровой обработки оптических изображений. Выбор процедур обработки и порядок их применения, а также выбор их параметров.

4. Исследование возможностей повышения качества обнаружения и распознавания малоразмерных объектов в среде за счет совместной обработки двух наборов радиолокационных данных для ортогональных поляризаций зондирующего сигнала.

5. Разработка программного обеспечения, предназначенного для визуализации и обработки данных импульсного локатора подповерхностного зондирования.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы статистической радиотехники, цифровой обработки сигналов и изображений, объектно-ориентированного подхода для создания программного обеспечения, программирования трехмерной графики, экспериментальных исследований в подповерхностной радиолокации.

Научная новизна работы

1. Разработана методика повышения эффективности синтезирования апертуры за счет выбора зоны синтезирования, а для протяженных объектов также за счет учета угла между продольной осью объекта и базой антенной системы.

2. Предложена и проанализирована новая процедура адаптивной пороговой обработки, не чувствительная к затуханию в среде и позволяющая более эффективно устранять шумы и помехи без подавления полезного сигнала.

3. Разработана методика применения алгоритмов цифровой обработки оптических изображений для повышения качества радиолокационных изображений. Методика включает в себя выбор фильтров и их параметров (тип и размер выборки), а также порядок их применения. 4. Разработана процедура совместной обработки двух наборов данных для ортогональных поляризаций, повышающая качество обнаружения и распознавания объектов, в том числе и тогда, когда одни из них заслоняют другие.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

Проведен большой объем экспериментальных исследований с целью анализа эффективности различных процедур обработки данных радиолокационного зондирования. Результаты этой работы позволяют оператору выбирать последовательность применения алгоритмов обработки, даны рекомендации по выбору параметров обработки.

Разработанное программное обеспечение предназначено для цифровой обработки данных радиолокационного зондирования. Программа использовалась в выпускаемых ЗАО «НТ1|СМ» радиолокаторах подповерхностного зондирования [42-46]. Структура программного обеспечения позволяет легко модифицировать программу визуализации и обработки данных в соответствии со спецификой решаемых задач.

Результаты диссертационных исследований внедрены в разработки предприятия ЗАО «НТЦСМ», что подтверждается актом внедрения, а также в учебный процесс МАИ в виде лабораторной работы «Обработка сигналов радиолокатора подповерхностного зондирования».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные процедуры выбора области синтезирования и учета угла между продольной осью протяженных объектов и базой антенной системы позволяют повысить эффективность синтезирования апертуры и увеличить разрешающую способность РЛПЗ.

2. Разработанная интерактивная процедура адаптивной пороговой обработки эффективно устраняет шумы и помехи без подавления полезного сигнала.

3. Повышение качества радиолокационных изображений подповерхностной среды и расположенных в ней объектов достигается применением методов цифровой обработки оптических изображений, при этом фильтр сглаживания позволяет повысить качество последующей адаптивной пороговой обработки, а трехмерный медианный фильтр в большей степени устраняет отражения от мелких неоднородностей среды, оставшиеся на изображениях после адаптивной пороговой обработки, чем двумерный.

4. Совместная обработка двух наборов радиолокационных данных для ортогональных поляризаций зондирующего сигнала обеспечивает обнаружение и различение пустот и металлических предметов в среде.

5. Разработанный комплекс программных средств и его отдельные модули целесообразно использовать при создании импульсных РЛПЗ.

Публикации и апробации

Апробация результатов работы:

Результаты диссертационной работы доложены на Всерос. межвуз. на-уч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -98» (Зеленоград, 1998), 3-й Всерос. науч. конф. «Применение дистанционных радиофиз. методов в исследованиях природной среды» (Муром, 1999), CIE Intern. Conf. On Radar (Beijing, China, 2001), 5-й Межд. конф. и выставке «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, Россия, 2003), Всероссийск. научн. конф. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и аккустики» (Муром, 2003), Intern. Radar Symposium (Dresden, Germany, 2003).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах: 2 статьи в журналах «Радиотехника» и «Радиотехника и электроника», 2 работы в трудах МАИ и 6 работ в трудах всероссийских и международных научно-технических конференций.

Объем и структура работы

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

6.5. Выводы по главе 6

Разработано программное обеспечение, предназначенное для вторичной обработки данных радиолокационного зондирования.

Декомпозиция системы позволила выделить три функционально независимые группы: блок считывания и записи данных, блок визуализации, блок обработки данных.

Программное обеспечение разработано в соответствии с объектно-ориентированной концепцией и реализовано на языке программирования С++. Использование библиотеки MFC позволило повысить скорость работы ПО. Разработка ПО в соответствии со стандартами программирования поль- зовательского интерфейса в операционной среде Windows существенно уменьшает время освоения программы оператором и повышает производительность его работы.

При разработке ПО учтена специфика обработки данных в РЛПЗ «Дефектоскоп», которая заключается в возможности совместной обработки двух наборов данных для различных поляризаций.

По результатам исследований разработана методика работы с ПО, включающая в себя последовательное применение наиболее эффективных алгоритмов с целью повышения эффективности обнаружения и распознавания объектов в среде и увеличения скорости работы оператора. ► Структура программного обеспечения позволяет легко модифицировать программу визуализации и обработки данных в соответствии со специ-* фикой решаемых задач.

Заключение

В диссертационной работе разработаны новые алгоритмы обработки данных подповерхностного радиолокационного зондирования, предложены модификации существующих методов и разработано программное обеспечение:

1. Разработана методика выбора зоны синтезирования и учета угла между продольной осью протяженных объектов и базой антенной системы, повышающие эффективность синтезирования апертуры. Зоны синтезирования выбираются в зависимости от типов объектов, а размер зоны синтезирования - от глубины их залегания. Ширину зоны синтезирования целесообразно выбирать в 2-4 раза больше глубины обнаруживаемых объектов. Для пустот синтезирование апертуры наиболее эффективно при ширине зоны в 2-3 раза большем глубины, отношение сигнал/шум улучшается при этом на 2-3 дБ. Для металлических объектов ширину зоны целесообразно выбирать в 3-4 раза больше глубины, отношение сигнал/шум улучшается после синтезирования апертуры на 3-4 дБ. Допустимая погрешность задания скорости V, при которой синтезирование апертуры остается достаточно эффективным методом повышения разрешающей способности, составляет около 20%. Показано, что если угол между продольной осью протяженного объекта и базой антенной системы превышает 15-20°, то необходим учет этого угла для повышения разрешающей способности.

2. Предложен и проанализирован новый алгоритм адаптивной пороговой обработки, учитывающий затухание сигнала в среде и эффективно подавляющий помехи без потери полезного сигнала. Параметры порогов подбираются по двум классифицированным выборкам. Алгоритм эффективен при применении его как при визуализации данных методом плоских сечений, так и вместе с динамической пространственной визуализацией.

3. Показано, что применение фильтра сглаживания повышает отношение сигнал/шум, причем фильтр с квадратной маской эффективнее фильтра с крестообразной маской и дает дополнительный выигрыш на 1-2 дБ. Также фильтр сглаживания повышает качество последующей пороговой обработки. Выбор типа маски и размера выборки определяется желаемым подавлением шумов при сохранении достаточной четкости изображения. В большинстве проведенных экспериментах наиболее эффективным оказалось применение фильтра сглаживания с квадратной маской, размер маски N которого лежал в пределах от 3 до 7.

4. Разработана методика применения медианой фильтрации для повышения качества радиолокационных изображений. Показано, что медианная фильтрация позволяет эффективно устранять импульсные помехи и оставшиеся после адаптивной пороговой обработки отражения от мелких неоднородностей среды, сохраняя четкость и контрастность радиолокационных изображений. Выбор типа и размера окна зависит от минимальных размеров обнаруживаемых объектов и должен осуществляться таким образом, чтобы число элементов разрешения для изображения объекта было, больше половины рабочей выборки медианного фильтра.

5. Проведено сравнение двумерной и трехмерной медианной фильтрации. Эффективность трехмерной медианной фильтрации для квадратной маски значительно больше, чем для крестообразной, при этом линейный размер маски N редко превышает 5.

6. Предложена процедура трехмерного масштабирования массива данных зондирования со сглаживанием, позволяющая улучшить качество формируемых радиолокационных изображений и тем самым повысить наблюдаемость расположенных в среде объектов.

7. Предложена процедура одновременной обработки двух наборов радиолокационных данных, полученных для ортогональных поляризаций зондирующих сигналов, позволяющая провести обнаружение и распознавание некоторых малоразмерных объектов (металлические пластины и штыри, полые пластмассовые трубы) в среде, в том числе и в случаях, когда одни объекты заслоняют другие.

8. Проведен большой объем экспериментальных исследований с целью изучения практической эффективности рассмотренных в работе процедур обработки данных радиолокационного зондирования. По результатам исследований разработана методика проведения обработки, включающая в себя последовательное применение наиболее эффективных алгоритмов с целью повышения эффективности обнаружения и распознавания объектов в среде и увеличения скорости работы оператора.

9. Разработано программное обеспечение, предназначенное для цифровой обработки данных радиолокационного зондирования. Программа использовалась в выпускаемых ЗАО «НТЦСМ» радиолокаторах подповерхностного зондирования серии «Дефектоскоп». Структура программного обеспечения позволяет легко модифицировать программу визуализации и обработки данных в соответствии со спецификой решаемых задач.

1. Proc. 8-th Intern. Conf. of Ground-Penetrating Radar, Gold Coast, Australia, May 23-26, 2000.

2. Proc. 9-th Intern. Conf. of Ground-Penetrating Radar, Santa Barbara, California, USA, April 29 May 2, 2002.

3. Финкелынтейн М.И. Подповерхностная радиолокация. M.: Радио и связь, 1994.

4. Финкелынтейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии. -М.: Недра, 1986.- 128 с.

5. Moorman B.J. Ground-Penetrating Radar Applications in Paleolimnology. -2001.

6. Colla C., Maierhofer Ch. Investigation of historic masonry via radar reflection and tomography // Eighth International Conference on Ground Penetrating Radar, GPR'2000, Gold Coast, Australia, May 23-26,2000.

7. Зайдель P.M. Способ обнаружения и нейтрализации пластиковых противопехотных мин // Объединен, науч. журнал. 2001. - N 22. - С.51-57.

8. Легкий В.Н., Минин И.В., Минин О.В. Физические методы и устройства поиска и обнаружения взрывчатых веществ и взрывных устройств: Учеб. пособие / Под ред. Минина В.Ф. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002.- 132 с.

9. Chubinsky N., Krampuls A., A novel method of plastic landmine radar detection // Ninth International Conference on Ground Penetrating Radar, GPR'2002, April 29 May 2 2002, Santa Barbara, California USA, pp. 520526.

10. Крампульс А.Ю., Чубинский Н.П. Выбор частотного диапазона георадиолокатора для обнаружения диэлектрических мин в грунтах и строительных конструкциях // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. -2000. Вып.2(476). - С.69-71.

11. Щербаков Г.Н. Средства обнаружения тайников с оружием и боеприпасами втолще грунта // Спец. техника. 2000. - N 2. - С.34-39.

12. Sullivan.A., Damarda R., Geng N. е.а. Ultrawide-band synthetic aperture radar for detection of unexploded ordnance: modeling and measurements. IEEE Transactions on Antenna and Propagation, V.48, N.9, September 2000.

13. Изюмов С.В., Дручинин С.В., Чернокалов А.Г. и др. Геофизическое исследование строительной площадки с использованием георадаров серии «ТР-ГЕО» // Энергосбережение. 2002. - N 2. - С.51-53.

14. Марчук В.Н., Бажанов А.С. и др. Георадар «Герад-3». Новые возможности и результаты применения. // Научно-практ.конф. «Георадар-2002». Тезисы доклада, Москва, МГУ, 28 января-1 февраля, 2002, С. 18-20.

15. Сливенко К.Б., Козлов В.Р. Современные системы локации подземных кабелей и труб RD4000 фирмы Radiodetection // Энергетик. 2003. - N 2. -С.39.

16. Herman Н., Singh S. First Results in the Autonomous Retrieval of Buried Objects Proc. Internat. Conf. on Robotics and Automation, May 1994, San Diego.

17. Седлецкий P.M. Применение подповерхностной радиолокации для обнаружения пораженных тканей молочной железы // Радиотехника и электроника. 2000. - Т.45, N 9. - С. 1120-1128.

18. Соколов М.А. Разработка математического обеспечения для решения за> дачи классификации подповерхностных объектов по сигналам геолокатора: Автореф. дис. канд. техн. наук / С.-Петерб. гос. электротехн. унт «ЛЭТИ». СПб., 2002. - 16 с.

19. Youn Н., Chen С., Automatic GPR target detection and clutter reduction using neural network. Proc. Of Ninth Intern. Conf. of Ground-Penetrating Radar, Santa Barbara, California, USA, April 29 May 2, 2002.

20. Васильев И.А., Ивашов С.И., Макаренков В.И., Саблин В.Н., Шейко

21. А.П. Зондирование строительных конструкций зданий в радиодиапазоне с высоким разрешением // Радиотехника. №8, вып. 55, Радиолокационные системы и системы радиоуправления, 2001, стр. 65-68.

22. Васильев И.А., Ивашов С.И., Саблин В.Н. Широкозахватная радиотехническая система обнаружения мин // Радиотехника (Москва). 1998. -N 4. - С.55-58.

23. Георадар «Грот» // Приборы. 2002. - N 11 (29). - С. 18.

24. Резников А.Е., Копейкин В.В., Морозов П.А., Щекотов А.Ю. Разработка аппаратуры, методов обработки данных для электромагнитного подповерхностного зондирования и опыт их применения // УФН. 2000. -Т. 170, N 5. - С.565-568.

25. Резников А.Е., Копейкин В.В., О Ен Ден и др. Сравнительные характеристики современных георадаров // Всероссийск. научн. конф. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и аккустики». Муром, 1-3 июля 2003. Сб.докл. С.441.

26. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Титов А.Н. Видеоимпульсный георадар «ОКО-MI» // Междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 23-25 апр., 2002. Т.З. Воронеж: Изд-во Воронеж, гос. ун-та, 2002. - С. 1603-1608.

27. Андриянов А.В., Воскресенсий Д.И., Гринев А.Ю., Саблин В.Н. Теория и практика радаров подповерхностного зондирования // Всероссийск. научн. конф. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и аккустики». Муром, 1-3 июля 2003. Сб.докл. С.460.

28. Касаткин А.В. Широкозахватный многоканальный видеоимпульсный радиолокатор в радио и акустической системе подповерхностного зондирования. 5-я Межд. Конф. «Радиолокация, навигация, связь», 20-23 апр. 1999, т.2, Воронеж 1999, с.996.

29. Калинин А.В., Хмелевской В.К., Владов M.JI. и др. Современная георадиолокация. // Разведка и охрана недр, 2001, №3.

30. Daniels D.J. Surface-Penetrating Radar. L.: IEE, 1996.

31. Строителев В.Г. Методы обработки сигналов при подповерхностном зондировании // Зарубежная радиоэлектроника, 1992, №1. С.95.

32. Peters L. Daniels J. Ground penetrating radar as a subsurface environmental sending tool // Proc. of the IEEE, V.82, N.12,1994.

33. Чжань Л.Ч., Моффэтт Д.Л., Питрес Л. мл. Определение характеристик подповерхностных радиолокационных объектов. ТИИЭР, 1979, т.67, №7.

34. Марчук В.Н. Алгоритмы сбора и обработки СШП сигналов импульсных георадаров // Всероссийск. научн. конф. «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и аккустики». Муром, 1-3 июля 2003. Сб.докл. С.220.

35. Щербаков Г.Н. Параметрическая локация новый метод обнаружения скрытых объектов // Спец. техника. - 2000. - N 4. - С.52-57.

36. 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.

37. Линников О.Н., Сосулин Ю.Г., Андрюхин А.Н., Трусов В.Н., Суриков Б.С., Толмазов Б.Б. Радиолокатор подповерхностного зондирования «Дефектоскоп» // Радиотехника, 2002, №7. С.45.

38. Linnikov O.N., Sosulin Yu.G., Tolmazov B.B., Trusov V.N., Yufryakov B.A. Pulse Surface-Penetrating Radar: Constructive Peculiarities and Data Processing. // Intern. Radar Symposium Proceedings, Dresden, Germany, Sept.30 -Okt.2 2003, p.307.

39. Andryukhin A.N., Linnikov O.N., Trusov V.N., Surikov B.S., Sosulin Yu.G., Tolmazov B.B. 3-D surface-penetrating radar «Defectoscope» // 2001 CIE Intern. Conf. On Radar Proceedings, Oct. 15-18 2001 Beijing, China

40. Поляков А. Методы и алгоритмы компьютерной графики в примерах на Visual С++. С.-Пб.: БХВ - Санкт-Петербург, 2002 - 416 с.

41. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. — С.-Пб.: БХВ -Санкт-Петербург, 1999. 256 с.

42. Arai I., Suzuki Т. Synthetic aperture for subsurface radar // Proceedings of ISAP 1985, vol. 152, №1. P.655.

43. Osumi N., Ueno K. Detection of Buried Plant // Institute of Electrical Engineers Proceedings F.Communications. 1988, vol. 135, №4. C.330-342.

44. Нестеров T.T., Сазонов B.B. 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.

45. Линдли К. Практическая обработка изображений на языке Си. М.:. Мир, 1996.-512 с.

46. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М.: Мир, 1982.

47. Красильников Н.Н. Цифровая обработка изображений. М.: Вузовская книга, 2001.

48. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. Советское радио, 1966.

49. Jan van der Krug. Three-Dimensional Imaging of Multy-Component Ground Penetrating Radar Data. Ph.D. Thesis, Delft University of Technology, 2001.

50. Ueno K., Osumi N. Underground pipe detection based on microwave polarization effect. // Proceedings of the 1984 international symposium on noise and clutter rejection in radars and imaging sensors, 1984.

51. Пол А. Объектно-ориентированное программирование на С++. СПб.: Невский Диалект, 2001.

52. Леффингуэлл Д., Уидриг Д. Принципы работы с требованиями к программному обеспечению: Пер. с англ. Издательский дом «Вильяме», 2002 .

53. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А., Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ. М.: ДМК, 2000.

54. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си. М.: Финансы и статистика, 1992.

55. Страуструп Б. Язык программирования С++. Киев: ДиаСофт, 1993.

56. Мешков А., Тихомирова Ю. Visual С++ и MFC. СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 2000.

57. Мандел Т. Разработка пользовательского интерфейса: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2001.

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