На правах рукописи
Шнпилов Сергей Эдуардович
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЕ ЛОКАЦИОННОЕ РАДИОВИДЕНИЕ
СКРЫТЫХ ОБЪЕКТОВ
01.04.03 - Радиофизика
Автореферат
днсссртации на соискаггие учёной степени
доктора |})изико-математических паук
Томск-2018
^ ^ ^ ^ ^ ^fllfl
Работа
выполнена
в
федеральном
государственном
автономном
образовательном
учреждении
высшего
образования
«Национальный
исследовательский Томский государственный университет».
Научный консультант:
доктор физико-математических наук, профессор
Якубов Владимир Петрович
Официальные оппоненты:
Банах
Виктор
Лрсептьевич,
доктор
физико-математических
наук,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
01ГП1Ю1 атмосферы им. В. Е. Зуева Сиб1фского отделения Росашскои академш! наук, лаборатория распросзранения волн, заведующий лабораторнеГ|
Кашкии Валентин Борисович, доктор технических наук, про(1)ессор,
федеральное
государственное
автономное
образовательное
учреждение
высшего образования «Сибирскш"! (})едеральный университет», кафедра
радиогехнпкн, )|ро(1)сссор
Яковлев
Олег Изосимович,
доктор технических
на^ж,
профессор.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
радиотехники и :шектроники им. В. Л. Котельникова Российской академии наук,
лаборатория раснросзранения радиоволн в космосе Фрязинского фшшала,
главный научный сотрудник
Ведущая
организация:
федеральное
образовательное
учреждение
высшего
государственный технический унивсрсптег»
государственное
бюджсгное
обра:юванпя
«Новосибирский
Защига сосгоится 20 ссигября 2018 г. в 14 часов 30 минут на заседании
диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе федерального
гоеударсгпешюго
автономного
образовательного
учреждения
высшего
образования «Национальный исследовательский Томский государственный
университет», по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 36 (Главный корпус,
аудитория 119).
С
диссертацией
можно
о,зиакомитз>ся
в
Научной
библиотеке
и на официальном сайте федерального государственного автономного
образовательного
учреждения
высшего
образования
«Национальный
исследовательский Томский государственный университет»
Материалы по зазците диссертации размещены на официалыю.м сайте ТГУ:
htlp:/Лvww.ams.l.su.nl/TSU/Qua!iflcatiouDep/coвеагсЬег5.п5Г/пе\У)тиЬ]1сабопп/8ЫрПоу8Е20092018.1ит1
Автореферат разослан «
» июня 20] 8 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
'
П
о
й
з
н
е
р
Борис Николаевич
3
О Б Щ А Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Последнее время в области радиофизики наметшюя большой интерес к проблемам сверхшпрокополосноз! (СШП) раднотомографпп объектов, скрытых за
различными преградами. Прежде всего, это вызвано проблемами обеспечения
безопасности, а также потребностями в неразрушающем контроле инженерных
конструкций, различных дорожных п о к р ь т й ] , поиске неоднородностей, в частности, содержащих нелинейные радиоэлектронные э л е м е т ы , археологии, в задачах поиска пластиковых противопехотных .мин, для геологоразведки, в коммунальном хозяйстве для обнаружения подземных ком.муш1кац1П1.
Требование обеспечения трехмерного картографирования, а также наличие
диэлектрических преград предопределяет использовашзе в качестве зондирующего излучения СШП импульсов. Как говестио, СШП излучение обладает высоЮ1М времешщ1м прострапствеппым разрешением. Кроме того, за счет низкочастотных составляющих в спектре зондирующих С Ш П сигналов обеспечивается
высокая проникающая способпосзь за препятствия, что особенно важно для обнаружения скрыт1лх обьекгов за диэлектрическими препятствиями.
Мнот ообразие физических процессов, таких как многократные взаимодействия, дисперсия, днфрактщя, имеющих место при осуществлении СШП радиоволновой локации в условиях сложно построенных естественных и искусственных сред и объектов, предопределяет как сложность математического описания
этих тфоцессов, так и аетуалыюсть решения задач радиоволновой ^o.^^oгpaфии.
Становится очевидным необходимость поиска приближенных подаодов решения прямых и обратных задач, учитывающих домппируютцие механизмы взаимодействия СШП излучения со средой и неоднородносггамн внутри нее. При
этом такие подходтл с одтюй стороны должны обеспечивать максимально точное
решение прямых задач, а с другой стороны позволять быстро и устойчиво искать
решения обратных задач. Наилучншм образом для решения подобных задач
подходят методы радиоволновой томографтш.
Таким образом, основным предметом исследований иастояптен диссертагщи
ставится обобщение методов СШП радповолновой томографии, как средства
дистанционного неразрушающего контроля и диаптостики внутренней струтстуры полупрозрачных дая радиоизлучения сред и восстановления формы непрозрачных объектов на основе разностороннего (многоракурсного) зондирования.
От других методов вьгшслительной диагаостшсн томография отличается тем,
что информацию от одного и того же элемента исследуемого объема наблюдают
во множестве интегральных проекций, то есть многократно, в различных ракурсах относительно объема нсоднородностсй. Радиоволповая томофафия подобна
рентгеновской и мапшторезонансной томофафии, по имеет дело с элскфомагинтным излучение.м радиодиапазона. Здесь длтша волны соизмерима с размера-
4
ми иеодпородпосте!'!, и существенную роль играют эффекты дифрающи и много1фатного взаимоде11Ств11я. Поэтому эту тохюпэафпю иногда называют дпфракц и о т к н ! томографией.
Не останавливаясь подробно на всем многообразии сунтествуюнди.х уже методов и подходов дифракционной томог^хзфнн, предсгавляег интерес сосредоточить основное внимание на активной С Ш П локационной волновой томотрафии,
имеющей важное значение, например, для бесконтактных сисгем безопасности и
подповерхностной локащш, позволяющей при односторонис.м доступе восстанавливать трсх.мерную структуру исследуемого проетраиства. При этом следует
отметить иотснииальио широтшй спскг[з при.мснсния таких систем для сисгем
безопасности, подповерхностной радиотомографии, обнаружения и визуализации людстй за преградами и т.д. Существует также больщая истребпосгь промыишеииости в бесконгащ'иых и автоматизированпых средствах контроля качества продутацш в строительно!!, деревообрабатывающее'! и друп!х от^заслях проМЫ!Ш1еШ!0СТИ.
Прш!ципиаль!!ая возможность построения СШП радиолок:1щю1!пого томографа не вызывает никаких сомщдшй - это подтвердили резутн.таты, опубликованные в научной литературе, и проведеттые собственные исследования. Однако опубликованные результаты не исчерпывают все су1!1естнуюи!ис возможности С Ш П радиогомстрафии. Первым шаго.м здесь должна явиться разработка
эффективно! о математического обсспечстш щзя восстановления томст ра.м.мы по
результатам из.мерсния локационных волновых проекций псслсдусмых сцен,
включаюитих скрьшле обт,ек1Ы. Здесь выступают вперед дна требования: достаточная точность восстановления и высокое быстродейст вие. Между ними существует некоторое противоречие: «быстро - не всегда хорошо». По мнешпо мио!Т!х отечествеииых и зарубежных экспертов прис.хитемым для систем безопасности будет разрешение не хуже 1 см. Таки.м образом, данные зондирования должны быть обработаны так, чтобы получить изображение пеодпородиосте!"! с иа!!лучшим разрешением, то есть близким к дпфракциошю.му пределу. При этом
необходимо избежать появления артефактов. Восстаиовлепие должно осуществляться в реалыюм времени, т.е. в пределах, например, нескольких секунд, а чаще
всего I! доле!! секунд. Задача услож-пяется, если измереппя 1!е позволяют получить пол!1ые даи!1ые. Эта ситупщш возникает, когда сканирование осуществлястся иеэквидистаит!!о, в дв1!жеш!1!, или когда объект обпар>'жеш1Я замаскирован
в сф01!телы1Ь!Х ко!!струкдиях шш под одеждой па (|)оне тела человека. Эти и
другае проблемы обуславлтшают необходимость последовательного теоретического и, К0НСЧ1Ю, экспер1!мснталы!0Г0 изучсшш. Пр1!чем математ1!чсская (теоретическая) сторона не может быть оторвана от экстюрнмеиталыюй (измсрнтель!!01'!) част!! работы.
5
В основе радионолповой томофафни, так или иначе, лежит эффект пространствсиио-временпоа фокусировки излучения, который позволяет произвести обращение волновых проекций зондируемых о&ьекгов и сред. Оказываегся, практически все существующие и разрабатываемые методы восстановления томограмм могуг быть рассмотрены с этой точки зрения. Эффекты многократного
взаимодействия (рассеяния и дифракции) волновых полей с иеоднородностями
среды мог>т быть существенно ослаблены с использование.м нространственновременной фокусировки излучения.
Одним из важных направлений в современной радиотомофафии является создание систем, работающих в режиме реального времени. Такие системы исключают использование двухкоординатного мехашиеского сканирования, занимающего значительное время. Предпочтение должно быть отдано системам с
электрической коммутацией - такттфовапиым антетшым решеттсам. Наиболее
широкое распространение получили моностатические многопозиционные СШП
схемы зондирования. Для такой схемы измерений разработаны разлиштые универсальные методы обработки данных. В последште годы получили развитие
системы на основе множества излучателей и приёмников. При этом становится
важным решегаю задачи поиска оптимальной конфтиуращш СШП антешюй решётки, включающс!! в себя порядок размещения приемных и передающих антенн, определение их минимального количества и вариантов взаимной коммутации, достаточных для получения томографических радиоизображештй. Кроме
того, остается актуальной задача создание быстрьк алгоритмов обработки данных для различных геометрий сканирования и размещения антенн. За последние
десятилетия уже проведено множество исследований и получены проверенные
на практике результаты для дальней зоны узкополосных антенных решёток. Однако для создания бысфодействующего томографа представляют интерес антенные решётю! свсрхширокополосного излучеш1я, предназначенные для исследования объектов, расположенньк в зоне фокусировки решётки. Данная задача
не рассматривалась ранее, поскольку не было необходимости в исследовагши
ближнс1Й зоны решётки. В данном случае под ближней зоной решётки понимается область на расстоянии порядка размеров самой решётки. Иными словами речь
щщт о зоне дш1)ракнин Френеля. Кро.ме того, большое внимание должно уделяться созданию быстродействующих алгоритмов восстановления ЗВ радиоизображеиий исследуе.мых объектов на ооюве данных радиозондировашш тактированными решетками в реальном масштабе времени.
Ощюй из важнейших характеристик радиоволнового томофафа является его
просфанственное разрешение или разрешающая способноеть. При этом для
улучшения тфострапственного разрешения по далыюсги необходимо расштфять
с п е к ф зондирующего сигнала. В то же время разрешающая епособносгь в поперечном направлении евязаиа с цешралыюй чаетотой зондирующего сшнала.
6
Таким образом, стаидаргиын подход к улучшению просзраисгиешюго разрешения это аппаратное решение, связанное с заменой генератора зондирующих нмнульсов на другой, реализующий более короткие СШП импульсы. Однако представляет интерес поиск путей повышения разрешения радиоизображений за счет
нелинейно!! обработки данных при свсрхшироконолосно.м зондировании без
какой-либо модификации используемых аппаратных средств. Данный подход
применим при сдробосконическом способе регисфании сверхкоротких импульсов, при котором всегда присутствует погрешность запуска reiieparoiia зондирующих импульсов - джиггер, проявляющийся в защумлеиности измеряемых
данных. Природа джиггера связана с нестабильностью стробирующею генератора.
Обычно мешающий эффект джиггера, неизбежно возникающий при стробоскопических измерениях импульсных СШП сигналов, приводит к уменынению
отношения сигнал/шум и, как следствие, ухудшению качества получаемого изображения в системах радиовидения. В общем случае устранение джиггера —
одна из основных проблем, возникающих при проектировании цифровой электрошнси, в частности, цифровых нптерфейсов. В настоящее время ужо разработаны методы синжсиия влияния джнттсра для решения задач зондирования н
расчета пропускной способностн каналов передачи ниформащш, а также повышения скорости передачи данных по таким каналам. Спектр шумов, связанных е
джптгсром, лежит в области высоких частот по сравнению со слектро.м полезного СШП сигнала. Таким образом, джиггер расширяет спектр полезного сигнала.
Обычно считается, что снектральттые составляющие джнттсра не обладают котсрентностыо, и это лтшть затрудняют использование коротких импульсов для целей передачи сообщстнтй в системах связи. Нелинейная оттерацня выделения когерентной части этих шумов в сочеташш с методом сшпезнровация большой
апертурт.! может обеспечить повышение высокочастотной составляютцей сигнала
и, как следствие, получить радионзображснне с лучшим разрстиеннем но сравнению с операцией сглаживания джиггера.
Использование и.мнульсных СШП средств для целей нслннойной локации до
сих пор практически не рассматривалось в литературе. Основная причина - малая эисртетика исчюльтуемых импульсов не позволяет заставить «раскрт.пься»
неоднородности, содсржаищс нелинейные раднозлсктронныс элементы (ИРЭ). В
работе рассматривается возможность использования СШП сигналов для нелинейной локации. Предаожениое автором решение нотволяег получать трехмерную томограмму распределения ПРЭ за счет модуляции положения его рабочей
точки на во.'н.т-амнерной хараюсристнкс штюснтелыю маломощной СВЧ подсветкой. Разработанный метод не имеет аналогов и запатентован. Преимуществом нснользовшшя СШП локашш ПРЭ но сравненню со стаидартнонтехнологней с ненользование.м нелинейных локаторов является возможность картотрафн-
ровачих мссгоположеиня мелписйпости с погрешностью, не превышающей половины прострапстпснпоп протяженности зондирующего импульса. В работе
преде га»лепы описания и результаты измерений макетов усфойегв для СШП
локации НРЭ.
Основной целью работы является разработка обобщенной физикоматематической модели систем для восстановления изображений скрытых объектов на основе томог1тафической обработки результатов многоракурсных дистанционных измерений рассеянного радиоволнового СШП излучения.
Настоящая работа основана на использовании оригинальных результатов
собственных пселедованнн автора по СШП радповнденню скрытых объектов.
Выбор темы и методов исследований продиктован стремлением обобщения известных методов СШП томографии, а также создание на их основе новых практических систем радиоввдения реального времени.
Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
1. Разработка методов и алгоритмов получения радноизображеинй скрытых
за диэлектрическими преградами объектов с использованием СШП импуптюных
сигналов.
2. Разработка методов повышения рафсшающен способности радиоволиовых
систем с учетом скрытых свойств стробоскопического приема СШП снгаалов.
3. Разработка метода и ключевых элементов системы пелштейнон локащш на
основе разработанных подходов радновидсшга с нспользованисм СШП зоадировапня.
4. Практическая разработка ключевых элемеетов радповолновых томографических систе.м реального времени получения радиоизображсшш на основе многоэлементных СШП aifTcmibix решеток.
Методы 1гсследова11ия
При разработке алгоритмов обработки радиолокационных сигналов использовались методы синтезирования большой аперзуры и пространственновременной фокусировки, а таюке известные методы статнстаческой радиофизики для приема сигналов в условиях шумов. Численное моделирование, регистращш и обработка данных проводились в среде CST Microwave Studio, MalhCad и
Matlab. Эксперименгальиая часть работы основана на использовании двумерных
сканеров и многоэлементных СШП антенных решеток, разработанных на кафедре радиофизики радиофизического факультега Томского государственного университета. Разработанные макеты СШП томофа(1)ов использовались как для
проверю! предложенных методов и алгоритмов решешга обратных задач, так и в
качестве ироготниов устройств для снстсм безопасносги, подиоверхноствой радиотомографни, обнаружения н визуализации людей за преградами. В качестве
8
ннс'фумеита для проведения эксперимептальпых исследований использовались
спроехстированныс автором макеты линейного н планарного радноволновых томографов, состоящих из решёгок нрисмо-нсредающих СШП элементов, работающих в диапазоне частот 2-12 ГГц. В качестве приемного устройства использовался СШП сгробосконичсскин нрнс.мник Р1со5сорс-91()0. Автоматическая
регис-фация н обработка /щниых производилась под управлением универсального бысфтодейегвующего комнышера общего назиачешш на остюве созданных
автором алгоритмов.
На защиту выносятся следующие положенни
1. Необходимым и достаточным условием получения трехмерной (ЗП) раднот о м о ф а м м ы скрытых иеоднородиостен с использованием сверхширокоиолосного (СШП) излучения является осуществление проептанственио-временион фокусирови! локащютшых сигналов методом радиоволпового томосшггеза (РВТ),
заключающегося в синфазном сложении полной сисгемы миогоракурсиых волновых проекщн! в каждую точку исследуемой сцены а зоне дифракции Френеля.
2. Восстановление трёхмерного распределения неолнородностей, скрытых
вн>три слоистых диэлскфических прсфад, достигается комбинацией метода
РВТ и последовательной фокусировки СШП излучения на каждую из границ
ра:щела сред па и у ш к зондируемой исоднородиости с учетом толтщшы и показателя преломления каадого из слоев.
3. Применимость метода РВТ для случая иеэквидистаитиого расположения
передаюнщх и приемных СШП антенных элементов обеспечивается нелинейной
фансформаиней временной формы волновых проекций сцены пеоднородностей
путем прпведешш крнвнзиы соответствующих волновых фронтов отраженных
сигналов к сферическим. Полученные в результате этой трансформацнн измененные волновые проекции эквивалентны случаю сов.мещснных прне.монередающнх элементов, что позволяет для восстановления трехмерного распределения неоднородносгей иснользоватт. алгоритм!.! м!югомср1Ю1 о ППФ.
4. Повыше11!1е нространсгвсниого разрешения РВТ нрн нснользовашш стробоскопической рстнстрацн!! СШП сптшюа без кого-либо укорочения зон/ц1рующих импульсов доегигается за счст повышения !И<лада высокочаеготнон
компоненты 1!р!!Нягого сигнала, которая выделяется из когеренгнон сосгавляющей джиггера каждой из во;шовых нроекц1!Й зондируемых сцен. Данный подход
реализуегся ну!ем временной фильтрации 1илсокочастс)тиь!Х компонент стробнруемых СШП сигналов и последующей операции умножения полученного результата па с1лажеш1у)о форму ш ибающих пршш,\тасмых сштишов.
9
5. Локационное обнаружение иелниеГтых радиоэлскаронных элементов
обеспечивается за счет нспользовапня комбинации зондирующего СШП импульса и пспсрекрывающенся с них» по спектру периодически включаемой монохроматической подсвеисн, имеющей мощность, достаточную для изменения
средней рабочс!! точки вольтамперной характеристики нелинейного радиоэлектронного элемента. Восстановление трёхмерного распределения скрытых нелинейных радиоэлектронных элементов достигается методом РВТ путем обработки разноетт! фор.мы рассеянных СШП импульсов при включённой и при выключенной подсвехке.
Достовсрность защищаемых положсиин
1. Достоверность первого положения определяется тем, что теоретически и
экспериментально показано, что 3D томограммы восстанавливаются однозначно
в зоне дифракции Френеля при наличии полной системы многоракурсных волновых проекций с точностью, близкой к предельно достижимой при использовании СШП данных 1[ предложенной технологии РВТ. При этом необходимость
заключается в использовании СШП голучения, обеспечивающего построение
трехмерной то.мограммы произвольных неодаюродиостен при локагшошгом зондировании, а достаточность определяется преодолением влияния эффектов многократного взаимодействия (рассеяния и дифракции) волновых полей с неоднородностями среды за счет использования пространственно-временной фокусировки излучения для подавлешгя возгшкающих ложных ннтерференщгонных
артефактов. Так, в результате нмитацпогпюго моделирования прямой и обратной
задач, а также в ходе экспернмешов показано, что при зогщировании СШП импульсами 0,2 НС разрешающая способность томограммы тестового объекта в
воздухе не превышала 1 см.
2. Достоверность второго положения подтверждена совпадением заданных и
восстановленных радиоизображеиий тестовых объектов, скрытых внутри трех
различных двухслойных диэлектрических преград: воздух - газобетон, воздух кирпичная стена, воздух - песок. В ходе имитационного моделирования прямой
и обратной задачи, а таюке экспериментально показано, что при зондировании
СШП импульсами 0,2 не обеспечивается разрсшаюгцая способность томограммы
1ге хуже 2 см, а при зондировашт СШП импульсами 0,4 не не хуже 4 см.
3. Досговсрность третьегю положения подтверждена совпадением заданных и
восстановленных радиоизображений тестовых объектов, при использовании регнеткп с иеэквидистантно расположенны.ми передающими и приемными СШП
антенными эле.менгами, а также алг'оритма многомерног о БПФ. В ходе имитационного моделирования прямой и обратной задач, а также эксперггмеггт-алыю показано, что при зондировании СШП импульсами длительностью 0,2 но разрегнающая способность томограммы обеспечивается не хуже 2 с.м.
10
4. Достоверпосп. чствсрюго положения подтверждена еравпепием разрешающей способности восстановленных радиошображеиин тестовых объектов
без использования и с нспользованием обработки даоптсра. Экснери.менталыю
показано, что при зоаднровапии СШП импульсами 0,2 не нснользовашю когерентной составляющей джиттера улучшает разрешающую способность томограммы в 1,5 раза.
5. Досговерносгь пятого положения подтверясдена совпадением па радиоизображешш местоноложеши! заданных и восстановленных сосредоточенных тестовых нелинейных радио:)лектронных обьекюв, находящихся в окружении ряда
маскирующих диэлек-фнческих неоднородностей, при использовании комбинации зонднруюнтего СШП импульса длигелыюегью 0.2 не мощностью 2 мВт п
неперекрывающейся с ним по спектру перподпчсскп включаемой монохроматической подсветки на частоте 10 ГГц мощностью 20 Вг. Погрешность определения местоположения Ш'Э не превышала 2 см.
Достоверность других результатов дпсссртацпопной работы подтверждаегся
согласием полученных теоретических результатов с данными разносторонних
численных моделей и результатами обработки прямых экспериментов по зондированию различных тестовых объектов в воздухе и скрытых внугри и за диэлектрическими префадами. В случае, когда в качестве прсфащл выступали с ф о и т е л ы ш е конструкции (СК) с неизвестным распределением исодпородностсй
внутри слоя, то степень достоверности верифицировалась но качеству восстановления тестовых объектов, расположенных за ними. Экспсрп.менгалыю подтверждено, что при использовании полосы частот от 2 до 12 ГГц обсспсчнвастся
совпадстшс фор.мы тестовых объскгов и восстаиовлсшюго изображения с погрешпостыо, ие превышающей половину пространстве иной прозяжсшюстп зондирующего импульса.
Научная понизна выноси.мых па защиту положений
1-е положение. Впервые определены необходимые и достаточные условия
дня однозначного восстановления 3D ю.мограммы произвольных неоднородностей в фоновой среде по данным волнового локационного зондирования.
2-е положение. Однозначно определён способ восстановления 3D т о м о ф а м мы произвольных неодпородюегеп в многослойной фоновой среде.
3-е положение. Предюжено оригинальное обобщение метода РВТ на случай
неэкш1днсташно1о расниложеиия нередаюншх и нрне.мных СШП ашеиных элементов, обеспечивающего переход от бнстатнческой системы зонд|фова1ШЯ к
более [фостой Д1Н обработки эквндистанпюн моноетагнческой.
4-е положение. Впервые мешающий эффект наличия джнтера, возникающего
нрн сгробоскопнческой рсгнстрацни коротких СШП снгшиюв, использован д ш
повышения разрешения восстанавливаемых раднонзображснпй.
11
. 5-е положение. Предложен способ трехмерной томофафин методо.м РВТ неодпородностсн, содержащих радноэлсетронные компонеи-пн. Приоритет предложенною метода СШП томо1ра(})нм НРЭ подкрспляегся зарегисгр1трованным
патентом Российской федерации № 2516436 от 24.07.2012 г.
Научная ценность положений, выносимых на защиту
Для 1-го положения определяется доказательством наличия необходимых и
достаточных условии получения фехмерпой радното.мофа.ммы скрытых неоднородностей при локационном зонднровании, обеспечивающих максимально
возможное разрешение.
Для 2-го положения определяется демонстрацией применимости метода РВТ
при локаипопном зондировашш многослойной фоновой среды.
Для 3-го положения определяется де.монстрацпен прнменнмостп метода РВТ
при испол{>зовашш решетки с неэкввднстантным расположением передающих и
приемных СШП антенных элементов, что, в свою очередь, позволяет использовать более производительные алгоритмы БПФ.
Для 5-го положения определяется демонстрацией прнменимостн метода РВТ
для трёхмерной то.мофафнн скрыплх неоднородностей, содержащих радиоэлектронные элементы.
Методологическая ненность защищаемых пололжнин и других результатов
работы заключается в том, что они вскрыватот потенциальные возможности
СШП томофафии, объедшшют все методы в рамках одной физической модели
взаимодействия излучсиня с веществом и дают возможность с единой позиции
рассмотреть задачу радиоволповой томограф)ии, даже в тех случаях, когда излучение является и узкополосным, и штфокополости.1м. Проведённые исследовашм
вскрывают глубокую физическую и алгортмнческую взаимосвязь всех известных подходов радиоввдения и открывают пути повышения их быстродействия и
точности. Благодаря этому, радиоволповая томофзфия получает наиболее полное теоретическое и экспериментальное обоснование в качестве в качестве нового направления прикладной науки.
Практическая значимость результатов работы
1. Метод РВТ позволяет получать трёхмерные томограммы неоднородностей
в многослойных 4ю1ювых средах, что обеспечивает ускорение обработки да1шых
в несколько раз но сравнению с методами мифации во временной области и методами, основанными на численно.м моделтфовашш распространения волн.
2. Разработанные подходы па основе учета джиггера гфи стробоскопическом
приёме сигналов повышают пространственное разрешение систем радиовидения
без какого-либо изменения их аппаратной части.
12
3. Разработанный алгоритм пересчёта волновых проекций распространяет
метод РВТ на случай решеток с неэквнднстантным расположением передающих
и приемных СШП антенных элементов, обеспечивая иснользованис для расчета
томограммы алгоритмы БПФ и, тем самым, открывая путь к созданию ЗО радиотомофафов, работаюптих в режиме реальною времени.
4.
Разработай
действующий
образец
локационного
зо.мографа
«РЛДИОДОЗОР», позволяющий методо.м РВТ визуализировать в режиме ре;шьного времени положение и особенности движения людей, скрытых за диэлекфическими префадами. Разработанный образе1т получил официальную поддержку Международного центра Национальной гвардии России по подготовке
спетцкишетов для борьбы с террориз.мом, г. Москва (копня доку.меита - в Приложешш А).
5. Разработанныт! метод фёхмерпой СШП томографии Ш'Э повышает степень локализации скрытых радиоэлектронных систем в несколько раз по сравнению с существующими средствами поиска, основациы.ми аа гармонических нелинейных локаторах, например, NR-900 и Лор11ст-24.
Висдрсиис результатов диссертационной работы
Результаты работь! внедрены в магистерской профаммс курса «Радиоволновая томофафня» в рамках дисциплин «Подповерхностная радиолокация» и «Обратные задачи то.мо1ра({)1Ш» ТГУ. Полученные результаты но СШП радповолновой томографии используются в курсах лабораторных работ «Обратные задачи
томофафии» и «Волновая томофафия: лабораторный практикум» ТГУ.
Свнзь работы с научны.ми црогра.ммами, планами, тсма.ми
1. Государствсшюе задание № 3.2068.2017/ПЧ Мшюбриауки России на 20172019гг. Тема: «Разработка системы ко.мплексиого контроля и обеспечения безопасности», рук. Ш ш и л о в С.Э.
2. Тактированные и фазированные СШП антенные решетки для радиовидения. Госзаданнс Мннобрнауки России, гос. контрак-т Да 3.694.2014/К (20142016), рук. Шитшлов С.Э.
3. ВПУ Программа повышения коикурситосиособиости ТГУ № 8.2.37.2016,
2016г. Тема: "Проыстирование .мультпсснсорного портала безопасности", рук.
Шшшлов С.Э.
4. Рад1юлокац1Ю}шая томофа(1шя удаленных обт.ектов за диэлектрическими
преградами. ФЦП, юс. коитракт№ П452 (2009-2011), рук. Шишшов С.Э.
5. Псследоваиие волновых процессов в неоднородных средах и созданне основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода сиитезнрова-
13
пня апертуры. Ф1|П, гос. контракт № 14.740.11.0076 (2010-2012), рук. Якубов
В.П.
6. Фичнко-матсматнчсская модель радиолокационного
Проект № 2.1.2/12874 (2009-2011), рук. Якубов В.П.
томографа. АВЦП,
7. Фокусировка волновых проеюдпй неоднородных сред в свфхгпирокогголосной раднотомографии скрытых объектов. ЕЗН, per. № 01200903810 (20092011), рук. Якубов В.П.
8. Исследования просгранственно-временной локализации взацмодействня
сверхишрокополосногю радиоггзлученггя с неоднороднымгг средами. ТематичесгагГг плагг, per, № 01200613077 (2006 - 2008), рук. Якубов В.П.
9. Разработка методов радиовпдепггя сгсрытъгх обтюгсгов. ФЦП гос. контракт
№ П1468 (2009-2011), рук. Суханогг Д.Я.
10. Разработка локационной аппаратуры радиочастотного диапазона для выявлснггя возможно скрытых на теле человека средств терроризма. Хоздоговор №
01201068006 (2010), рук. Якубов В.П.
11. Разработка физических и математнчесигх основ радиоволновой подповерхнгхгтной томографии для комплексггого анализа земнгчх ггокровов в геофизике. РФФИ, per. № 01201365422 (2013-2015), рук. Якубов В.П.
12. Радиоволновой томосинтез неоднородных сред и объектов. Госзадание
Мпггобрнауки России, per. № 01201257789 (2012-2014), рук. Якубов В.П.
13. Разработка новых методов, систем и техгголопгй волновой томографии
скрытых предметов ,лля обеспечения безопасности. Государственный коитрагст
В И У , р с г . № 114111740182
14. Проведение прикладггых научньгх исследований в области разработки
проектно-конструкторских решений создания космических аппаратов с крупногабарггтггы.ми траггсформпруемг.гмгг антепигами рефлекторами. ФЦП, гос. контракт Хз 14.578.21.0073 (2014-2016), рук. Скргшпяк В.А.
15. Исследование возможггостн создания томографической системы с использованием элскгромагннгаог-о гг ультразвукового изггучения для обнаружешш
скры тых объектов. Хоз. договор как составной частп Государственного когпракта Xii 1 5 8 / 2 0 1 0 - 6 2 0 К ( 2 0 1 0 - 2 0 1 1 ) , рук. Якубов В.П.
16. Разработка анпаратлгы нелшгейтюй то.мографни сзрогггельных конструкций с использованием сверхширокополосной радиолокации с сигггезнрованной
аперту|1ой. Хоз. договор с МИРЭА (2011-2012), рук. Якубов В.П.
17. Исследование возможности дистанционного обнаружения и визуалггзацшг
иелииейнглх включений с использовапие.м методов СШП раднотомографии. Хоз.
договор с МИРЭА (2013), рук. Якубов В.П.
14
Результаты интеллектуальной деятельиостн Шппнлова С.Э.
1. Получен патент на изобретение «Способ обнаруження скрытых нелинейных радиоэлектронных элементов» J4» 2516436 от 24.07.2012 г. / Якубов В. П.,
Шинилов С.Э., Суханов Д.Я. (копия документа - в Приложении Ь).
2. Получен патент на полезную модель «СВЧ антенна с фокусирующей зонной пластинкой» № 154066 от 18.11.2014 г. / Якубов В. П., Шипалов С.Э., Цыганок Ю. П., Анттпюв В.Б. (копия документа - в Приложении Б).
3. Получен патент' на полезную модель «Тактированная ангениая решетка с
фокусирующим ре(1|лектором для радиою.мотрафии» № 167526 or 27.11.2014 г. /
Сатаров Р.Н., ПТипилов С.Э., Якубов В. П. (копия документа - в Приложении Б).
4. Получено свидетельство о государственной регистрации процтаммы для
ЭВМ № 2015662850 «Стена. Расчет томогра.ммы иеоднородностей, скрт.пых
внутри стеновых конегрукщтй, по данным двумерного механического екаиирть
вагшя еверхширокополосным прие.мо-излучателем» / Федяшш U.C., Сатаров
Р.Н., Шипилов С.Э., Ятсубов В.П. (копия документа - в Прнложсшш Б).
5. Получено свидетельство о государственной региетрации програ.ммы для
ЭВМ
2015662851 «Стсна-АР. Расчет Tpe.xMcpiioii томограммы по данным
электронного сканирования планарпой тактированной матрицы еверхширокоплосшлх г1р||смо-персда)ощих антенн» » / Федяинн И.С., Сатаров Р.Н., Шнпнлов
С.Э., Якубов В.П. (копия документа - в Приложении Б).
6. Получено свидетельство о государетвсиной регистрации про^таммы для
ЭВМ № 2016661893 «Радиодозор. Расчет положения и частоты дыхания живых
объектов, скрытых за стеновыми конструкциями, ио данным линейного электронного скашфоваштя свсрхширшюполосиыми приёмонзлучателямн» / Фс,дяццц U.C., Шнпшюв С.Э., Сатаров P.M., Якубов В.П. (копия документа - в Приложешш Б).
7. Оформлен режим ноу-хау «Технология создания антешюй рсшсткн для радиотомотрафии» (Приказ ио ТГУ № 499 от 13.09.2013 г.) (копия документа - в
Приложении В)
По материалам днссертацпп опубликовано 25 статей в журнштах из етшскц
ВАК, 1 моишра(1)ия, выпущенная как иа русском, так и иа английском языках, 1
учебное пособие.
Апробация работы
Основные положения и результаты докладывались иа следующих конференщтях:
2-я (2008), 3-я (2010), 4-я (2012), 5-я (2013), 6-я (2015) Международная научно-практическая конфереицнп «Актуальные проблемы радиофизики» (г. Томск);
15
1-я (2010), 2-я (2011), 3-я (2012), 4-я (2013), 5-я (2014), 6-я (2015), 7-я (2016),
7-я (2017) научпо-практическая конференция «Информационно-измерительная
техника н тсхнологни» с международным участнсм (г. Томск);
3-я всероссийская конференция «Электроинка и микроэлектроника СВЧ»
(Санкт-Пегсрбург, 2014);
24-я (2014), 26-ая (2016) Международная Крымсюя конферстщия «СВЧтехпика и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь);
5th European Radar Conference Proceedings, EuRAD 2008 (Amsterdam, 2008)
1-я (2011), 2-я (2013), 3-я (2015), 4-я (2017) Международная конференция
«Инновации в неразрушающем кошроле» SibTest.
2-я (2011), 3-я (2013) Международная конференция «Интерполптех (г. Москва).
Результаты научных работ Шинилова С.Э. представлены на 14 выставках, из которых 4 международного уровня:
1. Международная выставка «Интерполптех-2011»: получена золотая медаль
за разработку комплексной системы радиоволповой томографии скрытых объектов.
2. Международная выставка «Радиофизика и электроника. РиЭ-2012» : получена золотая медаль за разработку «Тактированная свсрхширокополосная антенная решетка для радиовидения за преградами».
3. Международная выставка «Радиофизика и электроника. РиЭ-2013»: получена золотая медаль за разработку «Переносной импульсный радиотомограф».
4. «Качество товаров и услуг «Епразия-2()11»: получена золотая медаль за
разработку «Радиолокационная томография удаленных объектов за диэлектрическими преградами»
5. «Сибирские Афины» 2011: получена золотая медаль за разработку «Комплексная система радарной то.мографии скрытых объектов».
6. «Сибирские Афины» 2012: получена золотая медаль за разработку
«Сверхширокополосный радиоволновый то.мограф скрытых объектов».
7. 111 Всероссийская научно-практическая конференция «Информацнонноизмерительиая техника и технологии 2012» : диплом второй степени за разработку «Коммупфуе.мая СШП антенная решетка для радиовидения»
8. IV Всероссийская научно-практическая конференция «Информационноизмерительная техника и технологии 2013» : диплом первой степени за разработку «Малогабаритная переносная система трехмерного радиовидения».
16
9. Международная выставка «Радиофизика и электроника. РиЭ-2014»: получена золшая медаль за разработку «ЗОрадновнзор».
К). Международная выставка «Радиофизика и элсктропнка. РнЭ-2014»; получена золотая медаль за разрабшку «Нелинейный локатор «Лнтншахид».
11. Международная выставка «Радиофизика н электроника. РиЭ-2()14» ; получена золотая медаль за разработку «Направленная антенна СВЧ ))а основе
зонной пластинки».
12. Золотая медюи. XIX международной выставки средств обеспечения безопасности государства «Ннтер1Юлнтех-2015», 2015 г. за разработку: «Радиоволновьн! СШП томограф»,
13. Золотая медаль XX международной выставки средств обеспечения безопасности государства «Интерполнтех-2016», 2016 г за разработку: «Система
дистанционного обнаружеиня и визуализации живых людей за прстрада.мн».
Личный В1слад автора
Все основные теорсшчсскне н практические результаты диссертационной
работы получены лично автором. Так автором днсссртацни проведены определение направлсшш н выбор методов исследований, постановка задач, опрсделсипе схем измерений, построение численных моделей решения прямых задач,
разработка алгоритмов решения обратных задач, разработка ключевых эле.ментов конструкций лаборагорных макетов н опытных образцов, нроведеине эксиеримеитоз с использованием СШП измерений, обработка результатов, а также
анализ получешзы.ч результатов диссертации.
Совместно с научаы.м консультантом про(1)ессоро.\1 Якубовым Владимиром
Петровичем проводилось обсуж,з,еш1с идей и методов постановки н методики
проведения теоретических н экспериментальных исследований. Научный консультант является соавтором многих из основных публнкацш! автора днсссртацни. Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность и безфаиичиос уваяссиие научному консультанту 11ро([|есеору, зав. кафедрой р;1Д11офизнкн
ТГУ Якубову Владимиру Петровичу за миоголегиее плодотворное созрудипчеегво и поддержку научных идей автора, а также за помощь в гюд! оговке дпсссртащюппон работы в части обсуждения основных результатов.
Особую благодарное-!I. автор выражаез' Сатарову Ранлю Панлевнчу, Балзовскому Евгению Владимировичу, Буянову Юрию Иннокентьевичу, Суханову
Дмизрню Яковлевичу, Феданнну Ивану Сергеевичу, Кузьменко Ивану Юрьевичу, Муксуиову Тимуру Рам1ин,евичу, Клокову Андрею Владимировичу, Мнроиьчеву Александру Сергеевичу, Цепляеву Илье Сергеевичу, Еремееву Александру Ивановичу за большой шизад в практическую реализацию макетов, устройств и опытных образцов, а также всему коллекззнзу кафедры радиофизики
17
ТГУ и отделению радиофизики и элскфоинкн СФТИ ТГУ за тгимапие и полезные обсуждения в ходе работы над диссертацией.
Структура н объём работы.
Работа состоит из ввсдення, пяти глав, заюночения, списка Л1гтературы, включающею 222 наименовання, 3 приложений. Общий объё.м диссертацнн - 257 страниц. Работа содержит 1 таблицу и 157 рисунков.
СОДЕРЖЛШТЕ РАБОТЫ
Во введении рассмофена актуггльность те.мы диссергацин, сформулирована
цель работы ц задачи исследования; сформулированы защищаемые положения;
офажена научная новизна, покыано практическое применение и дана общая характеристика диесертащ ЮНИОН работы.
В главе 1 проводится анализ методов радиоволновой томофафии, как средства дисганциоштого неразрушагощего контроля и диагностики внутренней
сфуктуры полупрозрачных для радиоизлучения сред, а также восстановления
формы непрозрачных объектов на основе локационного многоракурсного зощщрования. На основе проведёшюго анализа формул1фуется ряд проблем, стоящих
на сегоднянншн день перед исследователем в области радиовидения скрытых
объектов.
Одной из главных проблем является многообразие подходов и алгоритмов
получения радноизображсния в зависимости от природы объекта, геомсфии
задачи, типа зондирующего излучения, наличие префады и т.д. Такое многообразие приводит к появлению ложного представления о разных мехагшзмах взаимодействия исследуемого объекга с излучением п сложности реализации своей
собствеииой задачи нсслсдовалия. Автором делается вывод об общности существующих подходов, использующих как мопохроматичесюге, так и широкополосные и сверхширокополосиые снгналы для зондирования вне зависимости от
перечисленных выше различий. В основе всех локационных методов построения
радионзображсиия лежит нросфанствешю-врсмспная фокусировка сштталов.
Так, в частности, для СШП сигналов ({юкусировка осуществляе1х:я путем последовательного сум.мнрования принятых сигналов с выравниванием временньк
задержек импульсов, рассеянных точкой с заданными коорданатами. Использование ({юкусировки нзлучення уменьшает в значительной степегш втшяиие многократных взан.моденствнй н дифракционных эффектов так, чго адекватное описание доминирующих волновых взан.моденствнй удается описать в приближении однократного (борцовского) взаимодействия.
Другой важной пробле.мой является сложность получения радиопзображения
на основе решения обратной задачи, то есть расчету формы объекта по данным
локационного зовднрованпя - волновым проекциям рассеянного поля. Сама
18
возможность решения таком задачи зависит от множест ва факчоров: полоса частот зондирующего излучсиня, размер синтезируемой апертуры и самих приемоизлучагслеП, необходимость учета :)лек"фО(|)изичсоких характеристик ^фстрады
и скрьпьгч объектов и т.д. Задача усложняется, когда обнаруокнвасмый объект
замаскирован в строительных конструкщшх или иод одеждой на (¡юне тела человека. Эти и другие факторы обуславливают необходимость последовательного
теоретического и, в коиечно.м счете, эксперименттшыюто изучения возможностей радиотомозрафин скрытых объектов. При зто.м автором отмечается важная
роль изучения и выделения доминирующих механизмов взаимодействия СШП
излучения с веществом, что позволяет, в конечном счете, упростить прямую задачу п, как следствие, повысить устойчивость обратной задачи и разрещающую
способност ь результирующего радпоизображения.
Не менее важной проблемой является практическая реализация систем радноБНдетш для различных областей (антитеррорнстическая безопасность, неразрушающий кошроль, геолокаиия). В частности, по .мнению многих отечествештьк п зарубежных экспертов прпсмлемы.м для систем безопасности будет
разрешение не хуже 1-2 см. Анализ зарубежных работ, проведенных авторо.м,
показывает наличие большого интереса к подобным системам в такззх сфаиах
как США, Израиль, Германия. Особый интерес вьгаявают системы, позволяющие получать радионзображеиис скрытых об1.ектов в режи.ме реалыкно времени, то сеть с частотой не менее I кадра в сскузщу и выше. В главе приводятся
примеры действующих систем радиовзщсния зарубежного и российского производства, сравниваются ззх характеристики и воз.можности. Отмечается большое
отставазше российских тс.чиолошй в паправлсшш трехмерного радновщзсиня
реального вре.мсии. В качестве перспективных гсхиологий для реализации таких
систем радиовидения прсщшгастся исполь зование СШП зактзфоваииых решеток
в линейном и плаиарном исполнении.
В конце главы на основашш гфсдставленных проблем фор.мулзфуются задачи исследования днсссртации.
Глава 2 посвящена развитым автором методам радиовидения скрьпых обьеетов при СШП локации, основанных на нринциие (})окусировкн волновых проекций принятых сигналов. Показана возможность реализации фокусировки даиньзх и построения трехмерных томозрамм зоидзфусмо! о пространства, как в частотной, так и во временной областях.
Общий пршщии получения всех радиотомозрамм осззовазз на ({ззззззческой
зздее о том, что ззокзззззззаззззя взаззмодейсзвззя электролзазтззззззозо зззлучснзиз с
веществом .можег бы ть достзззтзута -золысо ззуз е.м ее фокусззровки. Об этом говорят друзззе методьз, которые как ззодмззожество входят сзода: лзетод Сто.тта, метод суммззровазнш по гззззерболам, метод зтростраззсгвеззззо-согласоваззиой фзшь-
19
грации. Поскольку в основе метода лежит развитие метода большой апертуры,
но не является его прямым следсзвием, го автор ввел новое название - метод
радиоволового гомосинзеза [1].
Цен'фальная идея .метода заключается в том, чтобы пространственный спеюр
принимаемого СШП сигнала S ( p „ J ) на некоторой апертуре связать прямой
пропорциональной зависимостью с пространственным спекзром возмущения
диэлектрической прошнщемости Ас(р,,л,), сосредоточенного в некотором объеме К,, (Рис. 1).
•у
Ае{р„г,)
¿ЧРг'РК-0
Рг
Рис. 1. Геометрия задачи
Реализация фокусировки в чаегогной области проводится в т.н. борновском
приближении на основе зависимости одгюкраттю рассеянного поля от Е(рр,А:)
пространственного распределения возмущеиий относительной диэлектрической
проницаемости среды распространения Ае(г,). На этом основан предлагаемый
метод радиоволнового то.мосшггеза.
Поясним суть предлагаемого решения в наиболее простом частном случае
однородной (1)оновой среды и в приближении однократного рассеяния. Поле на
апертуре, рассеянное от неоднородностей, описываемых функцией Ав(|),,2,), с
точностью до множителя загшсываегся в следующем виде:
где к - волновое число соответствующее фоновой среде. Поле Е(рд,А:) является
спекфальным представлением принятого в точке р,, СШП сигнала ¿"(р^,?),
С)(,(г,А ) функция Грина свободного просфаиства.
С учетом разложение в спекф по плоским волнам выражение (1) можно записать в виде:
)=
1 (>0} 14 (Ро > А-)
Е,(Р„,А)=:2Л
= Я | Ав( Р,, с,)
г,
г/ Е ( Р о . О
с1к
!—
2/к.
А
(2)
20
Здеа,
Это выражение означает', что спсюр пространственных частот неоднородностен
с точностью до некоторого множителя совнадаст' с просгранст венным спеюром
исходного поля Е (Р(,, А:):
В конечном счете, для восстановления просгранственното распределения неоднородностей необходимо выполнить трехмерное обратное преобразование
Фурье. При этом имеется только одна вычислительная особенность при использовании выражения (2) - необходимость перехода от временных частот/ к соответствующим пространственным частотам
что реализуется с помощью простой интерполяции. Выражение (3) реализует
идею метода фокусировки, по сразу (параллельно) на все дальности. В конечном
счете, сформулированная выше идея лежит в основе всех локационных томографических методов, в том числе, и известного в геофизике метода Столта. Использование фокусировки излучения уменыиаег в значительной степени влияние многократных взаимодействий и дифракционных эф(|1ектов так, что адекватное описание доминирующих волновых взаимодействий удается описать в
приближеиии однократного (борцовского) взаимодействия.
Прещюжепный метод применим и в случае многослойной среды. Для этого в
формуле (3) Д(ХГ1-аючио экспоиенциальный множитель схр{/к,2,} заменить на
составной множитель е.\р<
•, который учитывает фазовые набе-
ги во всех предшест вующих слоях с толищной z^ и известным показателем нреломлення п^. Нормальная проек1ЩЯ волнового числа в каждом из п и х слоев
находится путем моднфнкащш выражения (4).
Данный метод является обобщением метода Фурье-синтеза на случай волновых полей. Однако ои разработан на случай моностатической схемы локации.
Для его реализации применимы алгоритмы быстрого преобразования Фурье.
Проверка работоспособности метода радиоволнового томосиигеза проводилось для тестового обз>екта в виде системы из 5 параллельных металлизированных полос длиной 20 см и шириной 2 см каждая (правая часть рис. 2). Расстояние между кромками птыос составляли 2, 3, 4 и 5 см, соогветственио. Система
21
полос, наклеенная на бумаг у, была расположена внугрн сгены из газобегонньгх
блсжов на г-лубине 20 см (левая часлз^ рис. 2). Блоки и тестовый объект располагались на расстоянии 40 см от сканера.
'
Рис. 2. Сцена оксггсримеита зоиггироваиия тестового объекта внутри СК
В результате двумерного сканирования бгшш снята осцилггограмма вогшовых
проекций рассеянного поля (рис. За). По вертшгалыюй оси сверху вниз отложено
время, а но горизонтальной - пространсгвеиная координата, но которой сканер
перемещал приемоиередающий модуль. Здесь растры, смятые построчно, расположены один над другим. При этом обратный ход сканера в строке начинался
сразу после прохода предыдущей строки в прямом направлении. Это позволило
существенно сократить общее время сканирования. Важно, что ггри каждом проходе отчетливо просма-фивается характерная дифракционная гипербола, свидетельствующая о локальности объекта зондирования.
На рис. 36 показан двумерный срез 3 0 томограммы на дальности, соответствующей положению тестового объекта в н у ф и СК. Размеры клеткгт гта изображении составляют ]()х.10 см. Томограммы получены по данггым зоггдирования
СШП ггипульсами .длительностью 0,2 не в областгт 60x60 см с шагом 1 см. Расчет
томограмм проводился методом радиоволнового томосинтеза. Для восстановления томограммы объекта внутри стены сначагга проводился пересчет гголя гта
граншгу воздух-слой, а затем рассчитывалась томопгамма вггутри слоя.
Анализ среза радноиэображения показывает, что с учетом явного разделения
двух полосок, разнесенных по краям на 2 см, можно отгегшть, что разрешение
полученного изображения составляет' 2 см.
ч л «.«у т •!» !
л«
1
;
•2
.3
4
б
;
;
:
;
Рис. 3. Осциллограмма зондирования тестового объекта внутри СК (а) и его рассчитанное радиоизображение (б), инзенсивносгь радиоичображеиия вдоль
оси у (в).
Практическое использование нре/рюженного метода связано с томотрафией
строительных конструкций (СК). Ция исследования была выбрана отнтукатуреиная с обеих сторон кирпичная стена между двумя соседними комттатами. Стена
имела толщину 16 см. Тестовый объект в виде металлических полосок располат-ался на задней поверхности стены. На рис. 4 показан пример полной растровой
картшты (оециллохутаммы) зарегистрированных сигналов, снятых при зовдированин тестового объекта с помощью сканера за кирпичной стеной. Под цифрой 1
на рис. 4 обозначен сигитщ, соответствующий пролазу из передающей антенны в
приемную, 2 - отраженный сигнал от передней кромки стены, 3 - отутажение от
электрической щэоводки внутути стены, 4 - отражение от задней границы стены,
5 - отражение от т-естового объекта.
На рис. 5 приведены два среза томограммы стены. На глубине 2 см была обнаружена скрытая под штукатуркой сетевая элскфопроводка, которая на рис. 5а
а видна как размытая вертикальная неоднородность вытянутого типа. На глубине 17 см виден тестовый объект (рис. 56), помещенный за кирпичной стеной.
Наличие артефактов в восстановленном радионзображении и частичное искажеитге формы тестового объекта на задней кромке степы связано с неоднородностью кирпичной кладки.
23
Рис. 4. Осциллограмма зондирования кирпичной стены.
1
-
i-4-..з ;
(а)
(б)
Рис. 5. Радио томограмма пеоднородностей кирпичной стены:
а - глубина слоя 2 см; б - глубина слоя 17 см.
Полученные в главе результаты :}ощщрования рдзличшлх CK позволили оценить предельные проникающие возможности разработанного радиотомографа.
Так для сухих железобетонных консфукций тттубина проиикновения достигает
35-40 см. Для кирпичиь!х стен глубина проникновения может быть еще больше,
но при этом возникают существенные искажения радтюизображения объектов на
больших глубинах залегания за счет сильной неоднородности диэлекзрического
слоя.
В конце главы сформулированы 1-ое и 2-ое защищаемые положения.
В главе 3 представлены исследования, связанные с разработкой систем радиовидения реалыкя о времеии на основе С1Ш1 многоэлементных решеток. Для
повышения заполненности решетки предлагается использовать принцип тактированного зондирования как альтернативу к применению механического сканирования. В режиме гакгироваиия в одни момеиз: времени - такг работают з олько
одна приемная и одна передающая антенны. Суть тактирования сводится к оп-
24
химизированному перебору комбинаций приемных и передающих антенн для
получения многоракурсных волновых проекций зондируемого обьекга.
В случае, когда расстояние между приемными и передающими антеннами
меняется в пределах одной а1пе!ННОЙ решетки, применение метода РВТ становится проблематичным из-за невозможности учета фазовой ошибки, вызванной
разносом между антеннами.
Воспользуемся приближением, при котором будем счигагь приемную и передающую СШП антенны точечными. В случае моностатическон локации поверхность равных фаз описывается выражением 2А |г-р(,| и представляет собой
сферу. Для разнесенных антенн в случае бистатической схемы локшщи поверхность равных фаз описывается выражением А:(|г-р^| 4 |г-р.;.|) и представляет
собой эллипс, в фокусах которого находятся антенны (рисунок 6).
Рисунок 6 - Поверхность равнтях фаз при бистатической и моиостатической
схеме зондирования
Введем иоиятие эквивалентного (совмевтеиното) ттриемо-излучагеля, который должен расттолагатъся в плоскости антенной решетки между гт11иемттой и
передающей антеннами. Для определенности расположим этот элемент на середине отрезка, соедиияютцего ттриемную и передающую антенну. При этом необходимо обеспечит!^ фазовую компенсацию для каждой длины волны принятого
излучения, возникающую за счет различия в пройденном расстоянии до некоторой точки зондирования в бистатической и моностатической схеме.
Для СШП импульсов во временной области увеличение пройденного пути
соответствует увеличению задержки - времени прихода сгфаженного сигнала.
Для бистатической и моиостатической схемы задержки будут различаться.
Гг-Г„
щ = 2 - ; л. =2,
и .
Для перехода к моностатической схеме необхощгмо провести выравштвание
временных задержек принятых сигналов ошосительио бистатического расмтоло-
25
жения антенн. Это можно реализовать за счет пересчета положения амшзитудиых значений сигнала на временной оси с использованием следующего выражения;
(5)
Данная операция (5) приводит к нелинейному растяжению принятого СПШ
сигнала S{t) по времени. Таким образом, реализуется переход от поверхности
равных задержек в виде эллипсоида, в фокусах которого находятся приемная и
передающая антенна, к поверхности с одним фокусом - сфере. На рисунке 7 иллюсфнруегся пример перехода от одной формы сигнала к друтюй с использовагшем (5). Видно, что максимальному растяжению подвергаются первые отсчеты,
а местоположение последних практически не меняется.
В случае исгюльзоваиия линейных ашеиных решеток за счет относительно
малого числа реализуемых тактов использоватше временного подхода не является критическим. Однако в случае штанарных решеток котшчество реализуемых
за счет комбинаторики ракурсов зондирования значительно превышает число
самих антенн. При этом время, затрачиваемое на обработку данных, начинает
превышать время, затраченное на снятие волновых проекций поля.
Рис. 7. Нелинейное растяжеште принятого сигнала
Автором разработан ряд СШП томофафов иа основе линеттных и планарных
тактированных решеток для решения задач радиовидения объектов, скрытых
внутри диэлектрических к о н с ф у к ш й . Все разработанные томофафы имеют
общую схему управления, представленную на рис. 8. Для коммутации каналов
антенной решетки был разработан специальный блок управления [14], построенный на основе многоканальных механическшс СШП коммутаторов фирмы
«ОозуКсу», перекрывающих частотный диапазон от О до 18 ГГц. Для регисфации измерения и р а истрании сверхширокополосных импульсов использовался
26
двухканальный стробоскопический цифровой осциллограф Р1со5соре-9100, работающий в диапазоне от О до 12 ГГц. Сбор данных, управление коммутацией
кана<чов и томосинтез радноизображения 0существлял11с1> на станда]Т1ном ноугбухсе с использованием специально р а з р а б т анной программы в среде МаИзЬаЬ.
Генератор СШП
импульсов
Антенная
решетка
Электромеханические
NÖRTÖW Ш Л И Х Т Е flÊJI
переключа ¡ели
2-х канальный СШП
стробоскопический
приемник
ZÎ
Блок коммутации
каналов решетки
Ноутбук
Рис. В Схема управления решеткой
На рисунке 9 представлен макет СШП лииейиой тактировашюй решетки, состоящей из 6 предающих и 16 приемных антенных элементов. В качестве приемо-переда 101 него элемента решезки использовалась малогабаритная печатная
СШП антенна, в разработке которой автор принимал непосредственное участие
[.5]. Разрешающая стюсобиое ть roMorpailia шз данным экспериментов составила 2
см, время получения томограммы 1,2 с.
Рис. 9. Макет линейной СШП тактированной решетки.
Па рис. 10 а приведена схема эксперимента, где I и 2 - металлически цилиндры диаме'фом 6 см, 3 - лабораторный макст' СШП то.мо1фафа, 4 ~ строительная
консфукция. Цилиндры были разнесены друг от друга на расстояние Л = 15 см.
Дальность до цилиндров составляла L == 60 см. На рис. 10 б представлена томограмма экспериментальной сцены. Размерность каждой клетки 10x10 с.м. Из рисунка отчетливо видно расположение цилиндров за CK.
27
(а)
(б)
Рис. 10. Схема эксперимента (а) и полученное радиоизображение
тестовых объектов (б).
Получение трехмерной томограммы требует ггланарного расггредеяения приемных и передающих ашени решетки. На рис. 11 а предсгавггена разработанная
автором схема расположегшя антешгых элементов планарной антенной решетки
Д1гя ЪD радиотомотрафа. Красными точками отмечены передающие антенны, а
синими точками приемные. Размеры решеггш составили 55x44 см. Количество
аытеннглх элементов - 22. В качестве приемо-передаюгнего элемента регггетки
иепользоваласг> малогабаритная СШП агггегша, разработанная на кафедре радиофизики ТГУ. На рис. 11 б представлена схема расположения антенных элементов эквивалеитиой регггепса, построенная по 86 комбинациям приемгтглх и
пере/гаюгцих эггемеигов исходной решетки.
У, м
0.2
f
,0.1
ш
т
#W
т
т ш
0т-
-0.1
-0.2.
о
-0.3
-0.4-0.3-0.2-0.1
О
0.1
ОД Х,м
-0.4-0.3-0.2-0.1 О
0,2 X, м ;
(а)
(б)
Рис. 11. Расположение приемных и передающих антенн в решетке (а)
и в эквивалентной решетке (б)
Для удобства использования и транспортировки антенная решетка (рис. 12) и
ее блоки были размещены в плаегиковом чемодане (рис. 13). На корпус чемодана вглвсдены разъем щгя питания от сети 220 В и разъем USB для связи с ноутбуком. Таким образом, все измерения можно проводить сразу, не агкрывая че-
28
модан. Управление коммутацией, расчет 1Ш томограммы и ее визуализация по
слоям осуществляется с помощью стагщартного ноутбука. Было установлено,
что время получения томограммы 64 на 64 на 16 точек составляет 8 с. (¡¡ти этом
разрешаюндая способность составила 2 см.
Рис 12. Атттеиная решетка
Рис. 13. Гомотраф в сборе.
На рис. 14 представлена фотография эксперимента, в котором восстанавливалось радиоизображение 4 монет. Монеты располаталиеь на расстоянии 40 ем
от антенной решет ки внутри стона из газобетшшых блоков. На рис. 1.5 приведена фототрафпя. показывающая расположение монет друг (птюсителыю друга.
Рис. 14. (Аема эксперимента с
монетам!! внутри стены
Рис. 15. расположение монет
На рис. 16 представлены радиоизображеиия слоев полученной томотраммы
для монет. Видно, что даже при наличии стены качество томограммы остасгся
высоким.
29
<
<'
'К
(а)
(б)
Рис. 16. Радиоичображение монет без стены (а) и со стеной (б)
Па рис. 17 представлена усовершенствованная схема и фотография планарной решст ки для 3 0 томографии. Красными точками отмечены передающие антенны, а синими точками приемные. Для зошщрокания использовались СШП
импульсы длительностью 0,1 не. Расположение приемных и передающих элементов реализовано более гшсшю, что позволило снизить уровень артефактов в
радиоизображении и, соответственно, повысить глубину проникновения в СК.
Гак для кирпичных стен глубина проникновения составила 20 см.
•2 ..у
-«.1
-ОН,
I
-6.2
-0.22
• 0 2 . - - 0 . 1 5 - 6 , 1
• 5.25
О
0.(15
0.1
0.15
02
0.25
_
(а)
(б)
Рис. 17. Внешний вид решетки (а) и схема распределения приемных и передающих антенн в решетке (б)
Для данной решетки было создано программное обеспечение, позволяющее
рассчитывать и представлять ЗП томограмму как в послойном виде (2В), так и в
псевдо трехмерном виде (ЗП). На рис. 18 представлены 2П и ЗП томограммы
тестовой сцены в виде двух монет на глубине 10 см внутри диэлектрической
преграды, состоящей из газобетонных блоков. Размер клетки на радиоизображении составляет 5 см. Время получения трехмерной томограммы составляет Юс.
(а)
(б)
Рис. 18. 21) (а) и ЗП (б) томограммы тестовой сцены.
В конце главы на осиовазши проведенных исследований делается вывод о
возможиопн использования тактированной антенной решетки дтя проведештя
радиотомографни скрытых объектов в режиме реального времени, а также формуяируется 3-е защищаемое положение.
В главе 4 представлены разработанные автором методы повышения качественных характеристик радиоизображений за счет иредварителыюй обработки
принятых СШП сигналов при локациоиио.м зондировании скрытых обт>ектсв.
Одной из важнейших характеристик радиоволнового томо1ра()|а является его
пространственное разрешение или разреизающая способззость. Стазздзтртззый
зюдход к улучшению гзроетранственнозю разрешенззя - что аззззаразное резиение,
связанное с заменой генератора зовдирузощих ззмпульсов зза другой гетзерзггор,
реализующий более короткие СШП импульсьз.
Предлазаемый автором новый метод иовзазкеззия разрезтзеззия радиоизображений не фебуез' атвпарзптзой замены з еззерзтзора сзиззалов. Повз.зшеззие разрешающей способности происходззт за счет нелинейззой обработкзз данньвх при
СШП зоидироваиии. Даиззый гзодход ззримеззим прзз сфобоскозшческом способе
регистратщи сверхкороткззх импульсов, при котзтром всегда присутствует погрешность запуска генератора зондирующих импульсов - джиггер, проявляющийся в зазиумлеиззосги измеряемых даззных. Автор пoкa;иJЗвaeт, что иелииейная операция выделения когереззтной части .этих нзумов в сочетании с методом
синтезирования большой апертуры даёт более котзтрасгаое радиоизображение по
сравиеншо с оззерацией сз лажззвания /зжиттера. В результате обьзчззо отрицательный физический эффект появления джиттера даст положительньзй результат.
Также в главе рзтссмафззвазотся способы повышения конфастззости слабзях
неоднородностей на фоне сильных офажений от границ диэлезстрического слоя.
31
Задача региается за счс! пространственно временной фильтрации постоянной
составляющей снимаемых волновых проекний рассеянного СШП ноля.
Другой важной проблемой является выделение движущихся объектов на фойе статических помех. Данная задача имеет важное практическое приложение,
заключающееся в возможности использования СШП локации для поиска и определения местсшоложения живых людей за СК и завалами. Автор предлагает ряд
решений, позволяющих реализовать томографию движущихся объектов.
А-ш оритм выделения джиггера реализуется путем последовательного вычитания из нриия'101Ч) сигнала его сглаженной формы
п последующей операции выделения когерентной части джиттера, которая осуществляется умножением AS(Í) на оконную функцию в виде огибающей сглаженного сигнала S(t):
S.it)^AS(,t)S(t).
Взвегисииый таким образом джиттер полиостью когерешеи с измеряемым
сигналом, но особо подчеркивает его высокочастотные (быстро изменяющиеся)
ф)рагменты. Поведение обоих сомножителей в последнем выражении показано
на рис. 18.
Из рис. 18 видно, что джиггер заметно увеличивает свой размах в области сосредоточения центра тяжести огибающей сглаженного импульса. Когерентный
джиггер (КД) ещё более локализован. Для иллюстрации этого на рис. 19 показан
характер изменения огибающей б'Д?) уже для КД (кривая 2), изображенной на
фоне исходного сигнала (кривая 1). Видно, что огибающая S.(i) действительно
заметно более локализована во времеии, а его максимумь! подчеркивают положения наиболее быстро изменяющихся фрагментов исходного сигнала - в местах
экстремумов производной основного сштгала.
Хч...,
t, НС
Рис. 18. Нормированные огибающая сглаженного импульсног о сигнала (1) и выделенный джизтер (2)
32
2
1
0
^
(
У 1/
/ , ПС
Рис. 19. Нормированные измеренный стробоскопическим методом исходный
импульсный СШП сигнал (1) и огибающая когерентной части выделенного
джиттера (2)
На рис. 20 представлегш) результаты восстановления двумерного радиоизображения тестового объекта при зондировании СШП импульсами длительностью 0,2 НС. Тестовый объеет состоял из 7 разной ширины металлизированных
полосок, расстояние между которыми варьировалось от 3 до 0,5 см с шагом 0,5
см. Зондирование проводилось с использованием механического сканера вдоль
оси X на дальности Z = 20 см от плоскости расположения полосок ОХУ. Приемная и передающая СШП антенны располаг.шись на каретке механического сканера, который перемещался с шагом 0,5 см.
1
И
?
к - .
Рис. 20. Восстановленные радиоизображения двумерной тестовой сцены из
металлических полосок (справа) без использования (1) и с использованием (2)
операции выделения когерентного джипера
Для получения изображения сначала использовались исходные отраженные
СШП импульсы (рис. 20, слева), а затем данные с выделенным КД (рис. 20, в
ценлре). Здесь же (справа) представлен внешний вид самого тестового обьекз-а.
Полученное радиоизображение тестового объекта, по сути, представляет дву-
33
мерш.тй срез просгрансгва вдоль плоскости 0X7,. Видно, что при использовании
КД повышается конзрастпость и уменьшается количество арте(1)актов радиоизображеиия.
На рис. 21 гтредегаалено опюсителыюе распределение интенсивности радиоизображения тестовог о объекта по срезу ОХ поперек расположения мегаллических полосок на (|юие самих полосок. Видно, что при использовании КД (кривая
б) провалы между максимумами иитенсивности резко увеличиваются по сравнению с результатами без использования КД ( ф и в а я а). Так провал в графике интенсивиости между полосками 4 и 5 в случае использования КД становится
меньше 0,7.5 от максимумов 1-5 полосок, что позволяет считать эти полоски разрешаемы.ми по критерию Релея. Таким образом, разрешающая способность радиоизображенпя, рассчитанная с использованием предложенного подхода улучшилась с 2 см до 1.5 см, то есть более чем на 30 %.
Разрабшанный автором подход активно использовался при получении радиоизображенпй с использованием тактированных антенных решеток [2] и при
обработке данных СШП георадара «Око-2» [8].
В конце главы делается вывод о возможности повышения пространственного
разрешения импульсной СШП радиотомографии за счет выделения когерентной
составляющей джиттера и формулируется 4-е защищаемое положение.
о
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 )4
15 16 17 18 19 20 2! 22 х", см
Рис. 21. Относительное распределение интенсивности сечения радиоизображениия тестового объекта без использования (а) и с использованием (б) операции
выделения ко1ереитно1'о джиггера.
В главе 5 иредставлеи разработаиный автором метод истюльзованшх сверхширокоиолосных (СШП) сигналов /щя нелинейной локации. Данный подход
существенно отличается от стандартного способа обнаружения нелннейностей
на основе выделения кратных гармоник. Предложенное решение заключается в
сравнении <|юрмы СШП импульсов, отраженных от заданной области зондирования в двух режи.мах - при выключенном и при вюшченном дополнительном
генераторе подсветки зондируемой области относительно мощным монохроматическим излучением. Если в области зондирования присутствуют нелинейный
радиоэлектронный элемент, первый и второй СШП отраженные импульсы раз-
34
личаются no 4)ормс. При различии в форме импульсов коистатнрустся наличие в
исследуемой области пространства элемента с ислииенной харагсгсрнстикой.
В основу метода положен хорошо нзвссшый Лкжссмбург-Горьковский эффегсг (ЛГЭ). Юночевая идея, лежащая в основе этого эф(|)екта заключается в возникновении перекрёстной модулягтни (кросс-модулягщн) при распространении
радиоволи в нелинейных средах. Суть явления заключается в следуюш,ем: одна
мощная волна «разогревает» среду, а другая волна гз эгозг среде распространяется, перенося информагщю. При этом обе волны начннают испытывать кроссмодуляцию, т.е. обрезают возможность «вгщетъ» одна другую. На физическо.м
уровне этот эффект подобен известному явлению, воз1|цкаюгг1ему в смесителе,
когда на него одновременно подаются два сигнала.
В работе представлена модель влияния монохро.матнческой подсветки на
форму отраженного от нелинейности СШП сигнала [3]. Пусть g ( x ) - вггд ггелннегшостгг. Тогда полное рассеянное поле будет представляться как
(г) = £'о (/) + А sin (оз/ + ф1) + g [ Дц (?) + А sin (ю/ + ф , ) ] .
где ¿"о (í) - падающий импульсный СШП сгггиал на нелинейное включение,
/l.sin((ü/ + (p,) - монохроматическая ггодсвстка.
Фаза монохроматического сигнала «подсвсткгг» никак ггс связана с СШП сигналом, гг поэтому после усреднения можгго записать, что
(¿; (/, А)) = Е„ (О + ¿ ] i' [¿'о (О +
sin (ф)]г/ф
Это означает, что нелинейное вклгочсшгс ггроявнтся в (¡горме усредненного
рассеянного импульсного сипгала. При малой «подсветке» эф(1)ект не проявится:
Разность полученных сигналов является шг(})ормац1юнной величиной для щшгН0СТНК1Г вида нслннсйностн.
Следует подчеркнуть, что хотя кратш.ге частотг.г не регистрируются в отличие от традиционного метода ИЛ, но нслинсйностг. проявляется в искажсини
формьг рассеянного СШП импулг.са. Идеологически это соответствует нсггол1.зовашно ЛГЭ. Предлагаемглй авторами метод защищен натснто.м РФ.
На рис. 22 нрсдставлспа блок - схема усгройстна щгя экснернмсшалыюй
проверки хфсдложешюго но/тхода. В качестве нсгочннка СШП сигналов использовался - импульсный г енератор, выдаюнщй и.мнульсы бшюггярной формьг дзгнтельностыо 0,2 не. Сиг нал излучался СШП антенной в область пространства, г де
находшгся исследуемый диод. Аналогичная СШП антенна пршш.мала отраженный сигнал, который поегупазг через ВЧ фггльтр, отсекающий сигнал гюдсвегки
на СШП усилитель, а затем на стробирующшй СШП приемник. После оцифровки снг-нал ноступагг в компьютер. Нелинейный элемент находился на расстояшш
35
100 см от приемной и передающей СШП амтепм. В исследуемую зону подавали
иодсвегку монохроматической волной с частотой 850 МГц. Включение и выключепис TCHcpaiopa моиохромагическото сигнала было сиихронизовано со
временем приема СШП сигнала. При получении нечетного СШП сигнала генератор бьш выключен, при получении четного СШП сигнала г-енератор бьш
включен. Мощность теиератора подсветки, при которой разность амплитуд
принимаемых сигналов превышает сгатисгичеекую погрегш-юсть измерений, т.е.
достаточная для выявления нелинейного элемента, составляла 4-5 Вт.
Рис. 22. Блок - схема устройства для СШП локации НРЭ.
На рис. 23 показаны типичные формы сигналов, принятых при СШП зондгг|зовапии диода Д20 при отсутезвии (1) и при наличии подсветки (2), а также разностный сигнал (3). Диод не был ии на что нагружен и представлял собой свободно расположенный заводской элемент. Видно, что разностный сигнал составляет 20-25 %. что является вполпе значимой величиной и превышает уровеш> шума стробоскопического приемника. Наблюдается также некоторая инерционность (запаздывание) нелинейного оклика диода. Подобные характеристики
наблюдаются и для ряда других нелинейных вшиочепий.
Рис. 23. Формы сигналов, принятых при СШП зондировании диода Д20 при отсутствииД) и при наличии подсветки (2), а также разностный сигнал (3)
36
в ходе автоматизированного эксперимента зри неодиородпосга были помещены между двумя газобетонными блоками толщиной 10 см. Две неоднородности представляли собой плоские квадраты из алюминиевой ([голы й размером 2x2
см, а третья неоднорощюсть, располагави(аяся сверху, представляла детекторный СВЧ диод длиной 2 см.
Для посзроения радиоизображения распределения нелинейных элементов
проводилось двумерное последовательное СШП локационное
сканировагше
сцены, состоящей из трех неоднородносгей. В каждой точке остановки сканера
зондирование сцены производилось в двух последовательно включаемых режимах: с подсветкой и бег подсветюг монохроматическим излучением большой
амплитуды. Накопленные массивы передавались в разработанную автором программу томо1ра([)ической обработки и выделеггия нелинейных включений. Результаты томографической обработки экспериментальных результатов приведены на рис. 24 а. Все Т1)и неоднородности явно просматриваются на радиоизображении. Две нижних неоднородности - это плоские квадраты из алюмшгиевой
фольги размером 2x2 см, а верхняя неоднородность - это детекторный СВЧ диод
длиной 2 см.
(а)
(б)
Рис. 24. Пример срегза ЗП радиоизображения на глубине 10 см внутри газобетонного блока с использованием метода линейной радиоволновой томографии
(а) и с использованием предложенного мегода (б)
На рис. 24 б представлено радиоизображение с использованием метода томогра([)ического выделения нелинейных ;}лементов. Из рисунка видно, что предложенный метод позволяет выделять на ([гоне неоднородных включений нелинейные радиоэлекгронные элементы. Таким образом, проведенные эксперименты
подтвердили работоспособность предложен ног о решения.
На рис. 25 а приведена ([)отогра([)ия разработанного автором СШП локатчтра
ПРЭ. Данное уст110Йств0 позволяет определять глубину залегания нелинейного
элемента внутри СК. Здесь 1 - параболический рефлектор с 1те1)едаюищй СШП
Ъ1
aincmioîi; 2 - параболический рефлектор с приемной СШП антешюй; 3 - антенны СВЧ подсветки, lia рис. 25 б приведен С1финнют программы для управления
да Iш ы M устройсгвом.
(а)
(б)
Рис. 25. Внешний вид устройства без стойк-и (а) и окно программного обеспечения для определения глубины залегания НРЭ (6)
В конце главы рассматриваютхя достоинства и недостатки предложенного
подхода, а также (|)ормулируется 5-с защищаемое положение.
В заключении с(})ормулированы основные научные результаты и выводы
диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Проведен обзор известных в мире методов СШП томографии и технических решений ее пракгической реагшзации. На основе проведённого анализа
с(|к)рмулирован ряд проблем, стоящих на сегодняшний день перед исследоватедями в области радиовиутения скрытых объскгов. Отмечается заметткх; отставание российских технологий в области создания промышленных систем трехмерHOI O радиовидения ])сального времени, на основе чего определяются основные
направления преодоления этого отставания и выхода на опережающие позиции.
2. На основе обобщения известных и ире!1Л0женных автором подходов разработан и сформулирован общий принцип радиоволновой томофафии, названный методом радиоволновото томосинтеза (РВТ) и основанный на физической
идее о достмженш! локализации взаимодсйетвия элекфомагаитно! о излучения с
веществом путем его апостериорной фокусировки. Влияние эффектов много-
38
кратных взаимодействий при этом существенно ослабляется. Огмечаегся связь
РВТ с методом многомерззой согласованной фильтрацией, методом миграции и
другими извеегиыми методами. Все полученные в работе результаты основаны
на развитии и использовании РВТ.
3. Использоватше импульсных СШП сигналов при мноторакусиом локационном зондировании методом РВТ позволяет ировееги послойное 3D восстановление простраыетвеииого распределения неоднородностей в исследуемо.м объеме рассчитать томограмму по данны.м о рассеянном поле, зарегистрированном на
некоторой плоской апертуре. Достаточным является ириближеиие однократного
рассеяния, а практическая реализация РВТ достигается с использованием процедуры бь) строго преобразования Фурье. Это дает возможность сущесивешю сократить время вычислений трехмерных томограмм.
4. Показана возможтюстъ модификации предтожеииого метода РВТ на случай многослойных сред за счег последовательной фокусировки изл>'чеиня на
границу сред. Иа примере зондирования СШП щмпульсами среды воздух - строительная конструктив в виде кирпичной стсны продемонстрирована работоспособность алгоритма и высокая ра;!решаю1цая способность.
5. Разработан метод определения толщины и показателя преломления однородной преграды по даишлм се двухпозициоииого локациошюго СШП зондирования. Приведены результаты имитационного моделирования и экспериментального исследования по проверке работоспособности метода, которые позволили оцсшгть предельные проникающие возможности разработашюго радпотомографа для сухих железобетонных и кирпичных стен.
6. Предгюжеи ряд рещсиий для повышения скорости снятия вошшвых проскЦ1Ш рассеянного поля. В основе подходов лежит отютз от механического сканирования в пользу использовашш таетироватшых аитсштых решеток (ТАР), когда
антенные элементы не заранее фазируются. За счет использования различных
комбииащтй приемных и передающих антенн в решетке значительно повышается число рак}рсов волновых проекций рассеянного ноля. Это позволяет восстанавливать радноизображсштя объектов даже в случае использования разржкенньтх ТАР. В ходе работы получен ряд научно-значимых результатов, представленных ниже.
7. Предложетта модш^зикация метода РВТ для случая неэквидистантнот о расположения передающих и приемных СШП антенных элементов. Введено ношттне эквивалентной решетки, позволяющее применять в этолт случае метод нелинейного масштабирования СШП сигналов во вре.меиной области, что дает возможность повысить занолияемостъ матрицы волновых проекций и иснользоватъ
быстрые алгоритмы расчета то.мограмм.
39
8. На оспопс итерационного решения прямой п обратной задачи радиотомографии пропедена оптимизация расположения элементов линейной и плаиарной
'ГЛР. Кригерием оптимизации служило качество восстаповлсшюго радиоизображения тестового объекта. Полученные результаты использованы для создания ряда действующих .макетов радиотомографов с использованием специальных элекфомехшшческих СШП переключагелей и двухкаиалыюго сфобоекопического прие.\пи1ка импульсного излучения. Время получения томограмм в
зависпмоеш от сложности ТАР варьируется от 20 до 0,1 с.
9. Разработай новый метод повышения разрешения радиоизображешш за
счет нелинейной обработки данных при СШП зондировании без какой-либо модификации используемых аппаратных средств. Данный подаод гфимеипм при
стробоскопическом способе регпсфацпи сверхкоротких импульсов, при котором
всегда присутствует погрешность запуска генератора зондирующих импульсов джштер, проявляющийся в зашумленности пз.меряемых данных. Повышение
разрешающей способности восстановленш>1х радиотомограмм происходит за
счет нелинейной операции выделения когерентной части этих шумов в сочеташш с лтетодо.м синтезтфования большой апертуры. Данный подход успешно апробтфоваи в задачах геолокадиии и СШП локадин скрытых объектов за СК.
10. Предложен способ повышения контрастиостн слабых псоднородностей на
фойе сильных от^тажеинй от границ днэлекфпческого слоя. Задача решается за
счет пространствешю временной фильтрации постоянной составляющей снимаемых волновых проекций рассеянного СШП поля. При это.м в радиоизображеиии, полученном методо.хг РВТ, происходит существенное снижение вклада от
границ плоского диэлектрического слоя.
11. Реализована возможность выделения движущихся объектов на фоне статических по.мсх. Для этого п"пользов;1лся дифферепциальпый подход, в котором
филырация сигналов от неподвижных объектов проводилась на основе разностных данных о регистрации сигналов в соседние периоды времени. Данная задача
имеет важное пракгическое приложение, заключающееся в возмояшости использования СШП локации для поиска и огфедслсипя местоположения живых людей
за СК и завалами.
12.
Разрабогаи
действующий
образец
локационного
томофафа
«РАДИОДОЗОР» позволяющий визуализировать положение живых людей,
скрытых за диэлектрическими преградами, с частотой обновления до 10 полных
кадров в секунду.
13. Разработан новый метод СШП радпото.мографии нелинейных включений
искусственного происхождения. Данный метод позволяет по возмущениям рассеянного ноля определить наличие или отсугствие в поле наблюдения нелшюйиых включений и открывает широкие возможности для их ЗП томографии. В
40
отличие от традиционной нелинейной радиолокации в данном методе не используется выделение комбннационнььх частот. Однако д.тя раскрытия нелинейных
свойсгв неоднородностен в СШП излучении требуется иметь возможность их
возбуждения MOUHH.IM СВЧ излучением.
14. Разработан лабораторный макет и программное обеспечение, позволяющее реализовать 3D томографию нелинейных элемент ов, скрытых за днэлегарнчесюгмн преградами, методом РВТ. Данный макет успешно апробнрован в задаче СШП локащш скрытых объектов за СК.
В целом все представлегшые в работе научные и пракшческне результаты
позволяют квалифицировать её как крупное достижение в решении научной
проблемы создания сверхншрокополосной локационной томографии скрытых
объектов с использованием радиоволнового томосинтеза, имеющей важное значение для создания современных систем безопаспостн и когпроля качества производства, отличающихся повышениы.м разрешегше.м и бысфодействием. Так
разработанные автором методы и технологии тактированного использования
многоэлсмсш'ных СШП антсшгглх решеток и импульсного поиска скрытых нелинсйггых вклгочений искусственного пронсхо/гсденггя открглвагот прпггщгпггально новые широкие возможности для практического использовашгя гз 3D радиоволновой томографгш.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты днссертацин на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой
степени доктора наук:
1. Shipilov S. Е. Ultra-wideband radio tomographic imaging with resolution near
the diffraction limit / S. E. Shipilov, R. N Satarov, V. P. Yakubov, A. V. Yurchcnko,
O. V. Minin, 1. V. Minin // Optical and quantum electronics, - 2017. - Vol. 49, is. 10.
- Articlc number 339. - 12 p. - DDI: 10.1007/sl 1082-017-1172-7. - 0,74 / 0,41 а.л.
(Web of Science)
2. Якубов В. П. Радгговолновая то.\гогра(|)ня / В. П. Яггубов, С. Э. Шннилов,
Д. Я. Суханов, А. В. Клоков // Известшг высших учебшлх заведений. Физика. 2 0 1 6 . - Т . 59, № 1 2 / 2 . - С , 8 - 1 5 . - 0 , 6 3 / 0 , 2 а.л.
3. Антипов В. Б. Волноводные элелгенты отражательной антенной решетки
с элекфнческим
скаиировапием
/
В. Б.
Антгшов,
10. И. Цыганок,
С. Э. Шипилигг, В. П. Якубов // Известия высших учебньгх заведений. Физика. 2015. - Т. 5 8 , № 1 0 / 3 . - С . 5 5 - 5 7 . - 0 , 1 9 / 0 , 1 а.л.
4. Якубов В. П. Дггстагщношгая сверхшгфокополосггая то.мография иелинегйных радиоэлектроггных эггемегггов / В. П. Якубов, С. Э, Шипилои, Р. Н. Сатаров,
А. В. Юрченко // Журнал технической физики, - 2015. - Т. 85, вып. 2. С. 1 2 2 - 1 2 5 . - 0 , 3 1 / 0,15 а.л.
41
({переводной версии журиша:
Yakubov V. Р. Remote ultra-wiiieband tomography of nonlinear electronic
components / V. P. Yakubov, S. E. Shipilov, R. N. Satarov, A. V. Yurchenko //
Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics. - 2015. - Vol. 60, is. 2. P. 279-282. - DOl: 10.1134/S1063 784215020267.
of Science)
5. Ш и п и л о п С. Э. Когерентный джиттер в импульсной раднотомографии /
С. Э. Шипплов, В. П. Якубов, Р. Н. Сагаров // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2 0 1 5 . - Т. 58, № 9. - С. 2 2 - 2 7 . - 0 , 3 6 / 0,2 а.л.
в переводной версии журиана:
Shipilov S. Е. Coherent Jitter in Impulse Radio Tomography / S. E. Shipilov,
V. P. Yakubov, R. N. Satarov // Russian Physics Journal. - 2016. - Vol. 58, is. 9. P. 1 2 2 6 - 1 2 3 2 . - D O l : 10.1007/.sl 1182-016-0636-8. {iVeb of Science)
6. Шипплов С. Э. Метод спптезпровашш апертуры в ЗО-радиотомографии /
С. Э. Шппилов // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2013. - Т. 56,
Хе 9, - С. 80-85. - 0,37 а.л.
в переводной версии лсурпача:
Shipilov S. Е. Aperture Synthesis Method in 3d Radio Tomography /
S. E. Shipilov // Russian Physics Journal. - Vol. 56, is. 9. - P. 1062-1068. - DOl:
10.1007/sl 1182-014-0140-y. OVeb of Science)
I . Антнпов В. Б. Применение доплеровских датчиков движения в системах
построения радпонзображепнй / В. Б. Актинов, Ю. И. Цыганок, С. Э. Шишиюв,
В. П. Якубов // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56,
Хз 8/2. - С. 285-287. - 0,22 / 0,1 а.л.
8. Сатаров Р. Н. Усфойст во для 2Ц-рад110Т0.м0фафни па основе СШПлнпсйной тактированной антенной решетки с фокусирующим рефлектором /
Р. И. Сатаров, С. Э. Шипплов, В. П. Якубов, Е. О. Степанов // Известия высших учебных завсден1111. Физика. - 2013. - Т. 56, Хз 8/2. - С. 198-200. - 0,25 /
0,15 а.л.
9. Юшков А. В. Технология повышения разрешающей способности типовых
гсорадароп / А. В. Клоков, А. С. Запасной, С. Э. Шипплов, В. П. Якубов // Извесиш высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56, Хз 8/2. - С. 174—176.
- 0 , 2 1 / 0 , 1 1 а.л.
10. Балзовскнй Е. В. Плоская сверхширокополосная антенна для системы радиовидения / Е. В. Балзовскнй, Ю. И. Буянов, С. Э. Шппилов // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57, Хз 9/2. - С. 102-106. - 0,37 /
0,12 а.л.
I I . Шипплов С. Э, Радноволновое картопгафированне деформащш профиля
параболического рефлектора / С. Э. Шппилов, В. П. Якубов, С. В. Пономарев //
Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55, Хз 9/2. - С.
2 7 4 - 2 7 5 . - 0 . 1 5 / 0 , 1 2 а.л.
12. Фодянни И. С. Радиовидение с использованис.м решетки микроволновых
/(онлсропскпх датчиков / И. С. Федяшш, И. 10. KyjbMciiKo, С. Э. Шипплов,
В. П.Якубов // Известия BI.icimix учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55,
Лз 9/2. - С. 270-271. - 0,11 / 0,05 а.л.
42
13. Сатаров P. И. Коммутируемая сверхширокополосиая антенная решетка
для раднотомографии / Р. 11. Сатаров, И. Ю. Кузьменко, Т. Р. Муксунов,
A. В. Клоков, Е. В. Балзовсиш, Ю. И. Буянов, С. Э. Шнпнлов, В. П. Якубов //
Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - 'Г. 55, № 8. - С. 26-30. 0 , 2 6 / 0 , 1 а.л.
в переводной версии журнала:
Satarov R. N. Switched ultrawideband antenna array for radio tomography /
R. N. Satarov, I. Yu. Kuz'menko, T. R. Muksimov // Russian Physics Journal. - 2013.
- V o l . 55, is. 8 . - P . 8 8 4 - 8 8 9 . - D O I : 10.1007/sl i 182-013-9896-8. (Web of Science)
14. Балзовский E. B. Обнаружение металлических объектов за стеной при
зовдпровашш
сверхшпрокополосны.ми
гшпульсами
/
Е. В. Балзовскп!!,
B. И. Кошелев, С. Э. Шнпнлов // Известия высших учебных заведеппп. Физика.
- 2012. - Т. 55, № 8/2. - С. 24-28. - 0 , 3 1 / 0 , 1 а.л.
15. Разинкевнч А. К. Радиолокационная томопзафпя удаленных объектов /
A. К. Разнпксвпч, С. Э. Шнпнлов, В. П. Якубов // И з в е с т я выспгих учебных
заведений. Физика. - 2012. - Т. 55, № 8/2. - С. 20-23. - 0 , 2 1 /0,15 а.л.
16. Федяшш И. С. Система радиовидения на основе решетки мик-роволновых
датчиков / И. С. Федяшш, И. Ю. Кузьмсико, Т. Р. Муксунов, С. Э. Шнпнлов,
B.П.Якубов, А.В.Козлов // Контроль. Диагностика. - 2012. - Аа 13. C. 1 4 1 - 1 4 5 . - 0 , 1 2 / 0 , 0 5 а.л.
17. Якубов В. П. Радио- и ультразвуковая томография скрьпых обьектов /
В. П. Якубов, С. Э. Шнпнлов, Д. Я. Суханов // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55, Аа 8. - С. 20-25. - 0,31 / 0,11 а.л.
в переводной версии журнала:
Yakubov V. Р. Radio and ultrasound tomography of hidden objects /
V. P. Yakubov, S. E. Shipilov, D. Ya. Sukhanov // Russian Physics Journal. - 2013. Vol. 55, is. 8. - P. 878-883.-DOl: 10.1007/sll 182-013-9895-9. (Web of Science)
18. Якубов В. И. Комплексная ршщо и ультразвуковая т()мо1ра(|н1я скрытых
объектов / В. П. Якубов, С. Э. Шнпнлов, Д. Я. Суханов, А. В. Козлов // Контроль. Диагностика. - 2012. - Аа 13. - С. 97-100. - 0,29 / 0,1 а.л.
19. Якубов В. П. Сверхширокополосиая томография удаленных объектов /
B. П. Якубов, С. Э. Шнпнлов, Д. Я. Суханов, А. К. Разпнкевпч // Дефектоскопия. - 2012. - Аа 3. - С. 59-65. - 0,32 / 0,21 а.л.
в переводной версии oicypuana:
Yakubov V. P. Ultrabroad-band tomography of remote objects / V. P. Yakubov,
S. E. Shipilov, D. Ya. Sukhanov, A. K. Razinkevich // Russian journal
of nondestructive testing. - 2012. - Vol. 48, is. 3. - P. 191-196. - DOI:
10.1134/S1061830912030084. (Web of Science)
20. Якубов В. П. Радпотомография по неполным данным / В. П. Якубов,
C. Э. Шнпнлов, А. В. Клоков, И. С. Федяшш // Контроль. Диагноспжа. - 2011.
- Аа 11. - С. 51-54. - 0,25 /0,15 а.л.
43
21. Якубов В. П. Спсрхитрокополосшш то.мофафня двюкущихся объектов
за диэлектрическими преградами / В. П. Якубов, С. Э. Ш И Ш Ы О В , Р. 11. Сатаров
// Контроль. Диапюстпка. - 2011. - Спецвыпуск. - С. 87-91. - 0,26 / 0,2 а.л.
22. Якубов В. П. Микроволновая томография радионепрозрачпых объектов /
В.П.Якубов, С. Э. Шнпнлов, Д.Я.Суханов // Дефектоскогаш. - 2011. № 11. - С. 62-68. - 0,33 / 0,21 а.л.
в переводной версии журнала:
Yakubov V. Р. Microwave tomography of radiopaque objects / V. P.Yakubov,
S. E. Shipilov, D. Ya. Sukhanov // Russian journal of nondestructive testing. - 2011.
- Vol.47, is. 11. - P. 765-770. - DOI: 10.1134/S1061830911110106. (Web of
Science)
23. Якубов В. П. Сверхингрокополосное зондгфованне за диэлектрическими
преградами / В. П. Якубов, С. Э. Шпиплов, Р. Н. Сатаров // Известия высших
учебных заведений. Физика. - 2010. - Т . 53, № 9. - С. 10-16. - 0 , 4 5 / 0,3 а.л.
24. Балзовскни Е. В.
Свсрхширокополосмое
зондирование
объектов
за радиопрозрачнымн
препятствиями / В. В. Балзовскнй,
В. И. Кошелев,
С. Э. Шипшлов // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2010. - Т. 53,
№ 9/2. - С. 8 3 - 8 7 . - 0 , 3 5 / 0,15 а.л.
25. Якубов В. П. Восстановление формы нск-рнвлешш зеркальных комбинированных антенн / В. П. Якубов, С. Э. Шппилов, А. А. Ефремов // Известия
высших учебных заведепнй. Физика. - 2008. - Т. 51, № 9/2. - С. 103-105. - 0,26 /
0,21 а.л.
Патенты Российской Федерации:
26. Пат. 2516436 Российская Федерация, МПК G01S 13/48. Способ обнаружения скрытых пслинсйпых радиоэлектронных элементов / Якубов В. П.,
UliiniiJiOB С. Э., Суханов Д. Я.; патентообладатели: Якубов В. П. (RU)> Шппилов С. Э. (RU). - № 2012131727/07, заявл. 24.07.2012 ; опубл. 20.05.2014, Бюл.
№ 14. - 10 с. : ил.
27. Пат. 154066 Российская Федерация МПК H01Q 19/00. СВЧ антенна
с фокусирующей зошюн пластинкой / Анттшов В. Б., Цыганок Ю. И., Шнпнлов С. Э., Якубов В. П.; патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовагелыюе учреждение высшего образования «Национальный исследовательский
Томский
государсгвенный
университетэ>
(RU).
Дз 2014146247, заявл. 18.11.2014, опубл. 10.08.2015, Бюл. № 22. - 8 с. : ил.
28. Пат. 167526 Росс1п1ская Федерация МПК IIOIQ 19/00, А61В 6/03. Такттфованная антенная решетка с фокусирующим рефлекгором для радиотомографни / Сатаров Р. П., Шпиплов С. Э., Якубов В. П.; патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальны!! исследовательский Томскш'! государственный университет» (RU). - Лз 2014147873, заявл. 27.11.2014; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1.
- 7 с . : ил.
44
Свидетельства о регистрации прогртш дли ЭВМ:
29. Свидетельство о государственной рсгистрацин программы для ЭВМ
№ 2015662850. Стена. Расчет трехмерной томограммы нсоднородностсй, скрытых внуг1зи стеновых конегрукцигг, по данным двумерного механическог о сканнровання свсрхшнрокополосным приёмо-излучатслем / Фс/ргнин И. С., Сатаров Р. Н., Шипилов С. Э., Якубов В. П.; правообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальны]! исследовательский Томский государственны]] универентег»
(RU). - № 2015619945, заявл. 20.10.2015; дата государственной регистрагцш в
Реестре программ для ЭВМ 04.12.2015.
30. Свидетельство о государственно]] регистрацпи програм.мы для ЭВМ
№ 2015662851. Стена-АР. Расчет трехмерной то.мограммы по дашагм электронного скаппровагшя планарпой тактировашю]] матрицы еверхширокоплосных
приёмо-передаюших антенн / Федяшш И. С., Сатаров Р. Н., Шипилов С. Э.,
Якубов В. П.; правообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образовання «Нашюпалыгьг]] нсслсдоватсльский Томский государствешгый ушшерситст» (RU). - № 2015619952, заявл.
20.10.2015; дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ
04.12.2015.
31. Свидетельство о государствениоп регистрации программы для ЭВМ
№2016661893. Радиодозор. Расчет положения н частоты дыхания живглх объектов, скрытьгх за стеновыми копструкдиями, по дагшым лгшсггггого элсктрогшого
сканирования евсрхширокополосными присмогвлучатсля.ми / Фсдягнш И. С.,
Шипилов С. Э., Сатаров Р. Н., Якубов В. П.; правообладатель: Федеральное
государственное автономггос образователг.нос учреадсгшс высгпего образования
«Национальный исследовательский Томски]] государственный университет»
(RU). - № 2016619453, заявл. 07.09.2016; дата государственной регистрации в
Реестре нрсгра.мм для ЭВМ 25.10.2016.
Монография:
32. Якубов В. П. Радиоволновая томографггя: досгижсгшя и перепскттгвы: монография / В. П. Ягсубов, С. Э. Шипилов, Д. Я. Суханов, А. В. Клоков. - Томск:
Изд-во НТЛ, 2014. - 264 с. - 7,8 / 2,25 а.л.
на англ. языке: Yakubov V. Р. Wave tomography / V. P. Yakubov, S. E. Shipilov,
D. Ya. Sirkhanov, A. V. Юокоу. - Tomsk: Scientille technology publishing house,
2 0 1 7 . - 2 4 8 p.
Учебное пособие:
33. Ягсубов В. П. Обратггые задачгг радиофггшкгг: учебное пособие /
В. П. Ягсубов, С. Э. Шипилов. - Томск: Изд-во НТЛ, 2016. - 164 е. - 2 , 7 8 /1,3 а.л.
ООО "Луна-Принт", г. Томск пр. Фрунзе 240 а, стр.11,
номер заказа №181131, тираж 100 экз., год 2018.
