Способ подповерхностного зондирования с синтезированием радиоголограмм и восстановлением по ним изображений

Способ подповерхностного зондирования с синтезированием радиоголограмм и восстановлением по ним изображений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к радиолокации стационарных объектов, и, в частности, может быть использовано для подповерхностного зондирования.

Известны способы подповерхностного зондирования с синтезированием радиоголограмм и восстановлением по ним изображения подповерхностного пространства (объекта зондирования), основанные на излучении передающей антенной зондирующего сигнала, приеме отраженных от объекта сигналов и регистрации частных радиоголограмм за счет сканирования приемной или (и) передающей антенн, составлении и восстановлении результирующей радиоголограммы. Наиболее полно способы синтезирования радиоголограмм изложены в книгах: Г.С.Сафронов, А.П.Сафронова. Введение в радиоголографию. М.: «Сов. Радио», 1973, 288 с.; Голография. Методы и аппаратура. Под ред. В.М.Гинзбург и Б.М.Степанова, М.: «Сов радио», 376 с.; Васильев И.А., Ивашов С.И., Макаренков В.И. и др. Зондирование строительных конструкций зданий в радиодиапазоне с высоким разрешением. Ж. «Радиотехника», №2, 1999, с.49-52.

Основным недостатком указанных аналогов является то, что указанные способы не позволяют получать изображения объекта при различной структуре поля облучения ввиду того, что получение частных радиоголограмм и восстановление результирующей радиоголограммы осуществляется при фиксированной структуре облучающего поля. Однако в задачах подповерхностного зондирования важным является получение изображений объекта при апостериори управляемом поле облучения в соответствии с желаниями экспериментатора. В то же время обеспечение возможности формирования изображения объекта при различном облучении имеет особо важное значение в тех случаях, когда поле объектов зондирования является сложным для понимания и интерпретации результатов измерений, например, такой, как подповерхностное пространство с реально неоднородными структурой, составом и значений электрических характеристик различных участков среды, наличием разнообразных антропогенных объектов и пр. Апостериори, изменяя с помощью устройства управления по желанию экспериментатора пространственную структуру поля облучения зондируемого пространства, например, концентрируя энергию поля облучения на отдельных участках и ослабляя интенсивность облучающего поля на других и визуально прослеживая характер возникающих при этом изменений в характеристиках визуализированного изображения зондируемого пространства, открываются принципиально новые возможности в интерпретации результатов зондирования подповерхностного пространства.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому способу является способ подповерхностного зондирования с синтезированием радиоголограмм и восстановлением по ним изображений подповерхностного пространства (см. Кремер И.Я., Понькин В.А., Романов А.Д. О разрешающей способности радиолокационных станций с антенными решетками. Ж. "Радиотехника и электроника", т.XXVII, №10, 1982 г., с.2037), основанный на излучении передающей антенной решеткой зондирующих сигналов, приеме отраженных от объекта сигналов и регистрации частных радиоголограмм за счет приема и регистрации отраженных от объекта сигналов всеми элементами приемной антенной решетки, составлении и восстановлении результирующей радиоголограммы.

Основной недостаток прототипа, как и аналогов, состоит в том, что при их реализации не обеспечивается восстановление изображений поля объектов наблюдения с апостериори управляемым полем облучения в связи с тем, что все операции в рассматриваемых способах осуществляются при постоянном, фиксированном поле облучения.

Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности способа за счет восстановления изображений подповерхностного пространства зондирования с апостериори управляемой пространственной структурой поля облучения.

Указанный результат достигается тем, что в способе подповерхностного зондирования с синтезированием радиоголограмм и восстановлением по ним изображений подповерхностного пространства, основанный на излучении в текущий i-й момент времени (i=1...N) зондирующего сигнала в точке раскрыва передающей антенны А, приеме отраженных от подповерхностного пространства сигналов и регистрации частных радиоголограмм во всех точках раскрыва приемной антенны, составлении результирующей радиоголограммы и восстановлении по ней изображения подповерхностного пространства, предварительно формируют ряд управляющих полей облучения подповерхностного пространства, зондирующие сигналы выбирают исходя из представления ряда полей облучения подповерхностного пространства обобщенным рядом Фурье

где

а результирующую радиоголограмму для управляющего поля облучения составляют в виде взвешенной суммы частных радиоголограмм с весовыми коэффициентами а_ij (2) в соответствии с выражением

Существо предлагаемого способа состоит в следующем. Во-первых, заметим, что для физически реализуемых управляющих полей облучения, формируемых с помощью дискретно-непрерывных реальных или синтезированных антенных систем, ряд (1) всегда существует при соответствующем выборе шага пространственной дискретизации для , например, в соответствии с существующими правилами конструирования фазированных антенных решеток.

Далее, учитывая, что процесс распространения и рассеяния электромагнитных волн в неоднородных поглощающих средах является линейным, можно записать процесс подповерхностного зондирования уравнением линейной связи комплексных амплитуд поля облучения U(ρ) и рассеянного поля, регистрируемого радиоголограммой , в виде (3)

где - импульсная переходная функция (функция влияния или функция Грина), полностью характеризующая линейную систему.

Подставляя в (4) выражение (1), получим

Интеграл в выражении (5) (стоящий перед весовыми коэффициентами) в соответствии с (4) есть ни что иное, как рассеянное поле пространства зондирования при облучении его зондирующим сигналом или является частной радиоголограммой зарегистрированной при излучении зондирующего сигнала. Поэтому выражение (5) можно записать в виде

Однако составленная в соответствии с (6) радиоголограмма исходя из (4) обеспечивает восстановление изображения зондируемого пространства при облучении его управляющим полем облучения, то есть

что совпадает с формулой (3), описывающей существенный признак изобретения.

Причем следует заметить, что радиоголограмма (6) формируется апостериори с использованием полученных в эксперименте частных радиоголограмм и задаваемых «по желанию» экспериментатора значений весовых коэффициентов а_ij для формирования, в соответствии с (1), желаемого поля облучения пространства зондирования.

Таким образом, введение дополнительных по сравнению с прототипом операций по формированию ряда управляющих полей облучения подповерхностного пространства и выбора зондирующих сигналов исходя из представления ряда полей облучения подповерхностного пространства обобщенным рядом Фурье (1) и составления результирующей радиоголограммы для поля облучения в виде взвешенной суммы частных радиоголограмм с весовыми коэффициентами a_ij, определяемым разложением этого управляющего поля в обобщенный ряд Фурье (1), в соответствии с выражением (6) обеспечивают достижения заявляемого технического результата, что составляет существо изобретения.

Заявляемый способ подповерхностного зондирования, судя по доступным сведениям, является новым, поскольку впервые обеспечивает восстановление изображений пространства зондирования с апостериори управляемой пространственной структурой поля облучения.

Получаемый технический результат изобретения, безусловно, имеет изобретательский уровень. С одной стороны, достигаемый существенный технический эффект открывает новое направление исследований, основанное на анализе изображений пространства зондирования с апостериори управляемым с помощью управляющего устройства полем облучения, что имеет важное значение в тех случаях, когда объект зондирования является сложным, например, такой, как подповерхностное пространство. С другой стороны, технический эффект явным образом не следует из общих принципов радиоголографии и может быть достигнут только при проведении предложенной в изобретении последовательности действий.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности "новизна".

Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как может использоваться в радиолокации, георадиолокации и др., и для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование и приборы.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ подповерхностного зондирования. Фиг.2 иллюстрирует принцип регистрации частных радиоголограмм при линейном (а) и радиально-круговом (б) сканировании приемной и передающей антеннами. На фиг.3 приведена схема алгоритма формирования изображений пространства зондирования с управляемой пространственной структурой поля облучения.

Устройство, реализующее заявляемый способ поверхностного зондирования, структурная схема которого представлена на фиг.1, содержит: устройство управления и обработки результатов измерений (УУ) 1, первый выход которого подключен ко входу сканирующего устройства передающей антенны (СУППА) 2, второй выход подключен ко входу генератора зондирующих сигналов (ГЗС) 3, третий выход подключен ко входу сканирующего устройства приемной антенны (СУПА) 4 и четвертый выход подключен ко входу приемника отраженных сигналов (ПОС) 5. Выход СУППА 2 подключен к первому входу передающей антенны (ППА) 6, а второй вход (ППА) 6 соединен с выходом ГЗС 3. Выход СУПА 4 соединен с входом приемной антенны (ПА) 7, а выход ПА 7 соединен со вторым входом ПОС 5. Апертуры ППА 6 и ПА 7 направлены в сторону подповерхностного пространства (ПП) 8.

На фиг.2 изображены: направляющие сканирующих устройств передающей и приемной антенн 1, балка сканирующего устройства передающей антенны 2, передающая антенна 6, балка сканирующего устройства приемной антенны 4, приемная антенна 7.

Содержание и последовательность операций алгоритма приведены на фиг.3.

Устройство, реализующее заявляемый способ, работает следующим образом.

Устройство управления 1 "устанавливает" с помощью сканирующих устройств передающей и приемной антенн 2 и 4 в исходное положение приемную антенну 7 и передающую антенну 6 в точку, соответствующую первому зондирующему сигналу . Далее начинается процедура регистрации первой частной радиоголограммы . Генератор 3 формирует зондирующий сигнал, который излучает передающая антенна 6 в сторону подповерхностного пространства 8. Отраженный от подповерхностного пространства 8 сигнал поступает на приемную антенну 7, регистрируется приемником 5 и запоминается в памяти устройства управления 1. Затем устройство управления 1 "перемещает" приемную антенну 7 на один шаг (оставляя передающую антенну 6 неподвижной), и процедура формирования и излучения зондирующего сигнала, а также приема и запоминания многократно повторяется до тех пор, пока приемная антенна полностью просканирует область подповерхностного пространства 8, задаваемую размерами сканирующего устройства 4. На этом заканчивается процедура регистрации первой частной радиоголограммы Далее начинается процедура регистрации второй частной радиоголограммы , которая отличается от выполненной лишь местом установки передающей антенны 6. При выполнении процедуры регистрации второй частной радиоголограммы передающую антенну 6 устанавливают в точку синтезируемого раскрыва передающей антенны, соответствующую второму сигналу Затем процедура подобным образом повторяется до тех пор, пока не будут зарегистрированы все частные радиоголограммы На этом заканчивается этап измерения и начинается этап обработки результатов измерений, который выполняется в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.3.

Места установки передающей антенны 6 при регистрации частных радиоголограмм рассчитываются в соответствии с формулой (1). В случае полного использования информационных возможностей данного способа передающая антенна 6 должна быть установлена во все точки синтезированного раскрыва, определяемого размерами сканирующего устройства 2.

При практической реализации заявляемого способа с использованием существующих сканирующих устройств возникают трудности преодоления эффекта "перехлеста сканеров". Существо эффекта состоит в том, что при синтезировании частных радиоголограмм необходимо "перескакивать" сканер передающей антенны. Задача может быть решена при создании 2-х ярусного сканера. Однако этот способ связан с необходимостью конструирования новых сканеров и решения ряда других задач, например согласования антенн с зондируемым пространством. Выход из создавшегося положения при линейном сканировании антенн 6, 7 состоит в использовании двух балок 2 и 4 и приемной антенны 7, состоящей из двух элементов, как показано на фиг.2а). А при радиально-круговом сканировании приемной и передающей антенн фиг.2б) осуществлять прямое и обратное круговое движение балки сканера приемной антенны с регистрацией при этом двух радиоголограмм при каждом обороте.

Оценку технического результата заявляемого способа (повышение эффективности способа за счет восстановления изображения подповерхностного пространства зондирования с апостериори управляемой пространственной структурой поля облучения) можно провести на основе следующих рассуждений.

В прототипе получают одно изображение подповерхностного пространства, которое соответствует фиксированному полю облучения, образованному совокупностью излученных зондирующих сигналов. Предлагаемый способ обеспечивает получение такого количества изображений подповерхностного пространства, которое соответствует количеству облучающих полей. Поэтому, если в заявляемом способе сформировано М полей облучения, то будет получено М различных изображений подповерхностного пространства, каждое из которых соответствует своему полю облучения, что естественным образом приводит к повышению эффективности способа.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает достижение существенного технического эффекта, а практическая реализация способа может быть осуществлена на базе существующих георадиолокаторов при вполне преодолимых трудностях, связанных с изменением их конструкции, и соответствующем изменении алгоритмов и программ обработки результатов измерений.

Способ подповерхностного зондирования с синтезированием радиоголограмм и восстановлением по ним изображений подповерхностного пространства, основанный на излучении в текущий i-й момент времени (i=1...N) зондирующего сигнала в точке раскрыва передающей антенны А, приеме отраженных от подповерхностного пространства сигналов и регистрации частных радиоголограмм во всех точках раскрыва приемной антенны, составлении результирующей радиоголограммы и восстановлении по ней изображения подповерхностного пространства, отличающийся тем, что предварительно формируют ряд управляющих полей облучения подповерхностного пространства, зондирующие сигналы выбирают исходя из представления ряда полей облучения подповерхностного пространства обобщенным рядом Фурье

где

а результирующую радиоголограмму для управляющего поля облучения составляют в виде взвешенной суммы частных радиоголограмм с весовыми коэффициентами а_ij (2) в соответствии с выражением