РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 12, с. 1436-1451
ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
УДК 621.396.96
МЕТОД ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ РАДИОЛОКАТОРОВ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2004 г. Б. А. Юфряков, Б. С. Суриков, Ю. Г. Сосулин, О. Н. Линников
Поступила в редакцию 22.03.2004 г.
Разработан новый метод интерпретации данных радиолокаторов подповерхностного зондирования, основанный на выделении наиболее информативных областей зарегистрированных сигналов в виде фронтальных годографов и отображении выделенных сигналов в форме отражающих поверхностей объектов с использованием алгоритмов геометрической миграции.
ВВЕДЕНИЕ
С момента создания радиолокаторов подповерхностного зондирования (РЛПЗ) одной из самых трудных задач, решаемых в процессе их применения, является интерпретация данных, зарегистрированных при зондировании различных сред. В настоящее время при обработке данных РЛПЗ используют много различных алгоритмов и программных средств (фильтрацию сигналов и изображений, спектральный и кепстральный анализ, пространственно-временную обработку и т.п.). Главной целью этих алгоритмов является выделение полезных сигналов на фоне шумов и мешающих отражений. Указанная цель достигается различными методами накопления полезных сигналов (суммирования с определенными весовыми коэффициентами) и подавления мешающих сигналов. Выбор же конкретных алгоритмов и принятие решений об обнаружении и идентификации скрытых объектов осуществляет высококвалифицированный оператор (интерпретатор), анализирующий зарегистрированные данные РЛПЗ.
Предложен метод обработки зарегистрированных данных РЛПЗ, позволяющий интерпретатору оперативно выявить наличие скрытых объектов и определить их геометрическое положение путем наглядного и адекватного реальной ситуации представления геометрии отражающих элементов зондируемого пространства.
Излагаемый метод создан в процессе совершенствования алгоритмов обработки результатов зондирования РЛПЗ типа "Дефектоскоп" [1-5], предназначенного для обследования строительных конструкций. Этот РЛПЗ имеет высокую разрешающую способность по дальности (около 2 см) и широкую диаграмму направленности разнесенных на малое расстояние (5 см) передающей и приемной антенн. В процессе сбора информации выполняется двумерное сканирование по ровной поверхности (стены, пола, потолка и т.п.). В результате обработки этих данных формируются трехмерные представления о скрытых объектах.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
За основу разработки алгоритма интерпретации приняты математические модели трех пространств: 1) пространство объектов - геометрическое пространство расположения объектов, окружающей их среды и зоны сканирования антенной системы; 2) пространство сигналов - совокупность данных РЛПЗ, зарегистрированных в процессе сканирования с фиксацией геометрических координат зондируемой области; 3) пространство интерпретации - геометрическое пространство, в котором отображаются результаты обработки пространства сигналов, позволяющие показать геометрические формы отражающих поверхностей наблюдаемых объектов.
Желательно, чтобы после обработки сигналов автоматически в пространстве интерпретации формировались геометрические формы скрытых объектов, т.е. чтобы пространство интерпретации полностью совпадало с пространством объектов. Однако в большинстве случаев это невозможно, в частности, потому, что ограниченная зона сканирования может обеспечить сбор информации только о тех участках поверхности объектов, которые дают отраженные сигналы, регистрируемые РЛПЗ.
При обработке данных предложенным методом предполагаем, что указанные пространства обладают следующими свойствами. В пространстве объектов все отражающие поверхности являются гладкими, т.е. в любой их точке существует касательная плоскость. Практически такими поверхностями можно аппроксимировать поверхности любых физических тел и границы раздела различных сред в зондируемой области.
В пространстве сигналов расположены данные, полученные в процессе сканирования по плоской поверхности с фиксацией пространственного положения антенной системы. При этом предполагаем, что имеются алгоритмы, позволяющие выделять поверхности "первых вступлений фронтов волн" принимаемых сигналов, отраженных от объ-
ектов. Эти выделяемые поверхности пространства сигналов будем называть фронтальными годографами. Примеры алгоритмов выделения подобных информативных зон принимаемых сигналов приведены в [6]. Изучением годографов различного типа, формируемых при анализе зарегистрированных данных сейсморазведки, с давних пор занимаются геофизики [7-13]. Используемые в данной работе терминология и некоторые математические преобразования в основном базируются на представлениях геофизиков.
Задача, которую решает предлагаемый метод, состоит в построении в пространстве интерпретации "отражающих поверхностей" обнаруженных объектов, являющихся отображением их фронтальных годографов в пространстве сигналов.
В работе получено решение рассматриваемой задачи для двух конфигураций антенных систем РЛПЗ: для моностатической системы, когда передающая и приемная антенны совмещены (находятся в одной точке зоны сканирования), и для бис-татической системы, когда передающая и приемная антенны разнесены на фиксированное расстояние с ориентацией соединяющего их отрезка параллельно одной из осей сканирования. Для анализа результатов подповерхностного зондирования в пространстве объектов используем правую систему координат с осью 0г, направленной вглубь зондируемой среды, а оси 0х и 0у располагаются на плоскости сканирования.
2. МОНОСТАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Вначале предположим, что сканирование проводится вдоль оси 0х и все сигналы "первых вступлений" приходят от точек, расположенных в плоскости х0г. В этом случае достаточно рассматривать геометрические связи на указанной плоскости в двумерной системе координат. Наблюдаемые данные в этом случае отображаются в виде плоских изображений - "радарограмм", а фронтальные годографы - в виде кривых, отмечающих границы "первых вступлений" сигналов, отраженных от скрытых объектов.
На рис. 1а приведен пример фрагмента пространства объектов, а на рис. 16 - соответствующий
фрагмент пространства сигналов. Здесь и далее используются следующие обозначения. В пространстве объектов и пространстве интерпретации координата отражающей точки поверхности объекта на оси абсцисс обозначается строчной буквой х, а глубина расположения объекта отсчитывается по оси ординат, направленной вниз, и обозначается буквой г. В пространстве сигналов по оси 0Х (заглавная буква) фиксируется координата антенны в момент регистрации отраженного сигнала от точки (х, г) пространства объектов, а по оси W отложено нормированное время запаздывания первого вступления отраженного сигнала. Принята следующая нормировка:
W = ТУ/2, (1)
где Т - зарегистрированное время двойного пробега от антенны до отражающей точки и обратно, У - средняя скорость распространения сигналов в среде, которую считаем известной. Такая нормировка позволяет использовать в пространстве сигналов по оси W единицы измерения расстояний, а переход от пространства объектов к пространству сигналов можно рассматривать как некоторое геометрическое отображение.
На рис. 1а показана некоторая "отражающая кривая" 1 и на ней выделен малый "отражающий участок", являющийся частью касательной прямой АС к этой кривой. Сигналы "первых вступлений", отраженные от этого участка, регистрируются антенной в точке В, являющейся точкой пересечения с осью абсцисс перпендикуляра в точке А к касательной прямой. Координата точки пересечения обозначена Х(. В пространстве сигналов (рис. 16) все регистрируемые сигналы отображаются по вертикали, опущенной из точки расположения антенны. Поэтому точка А8 фронтального годографа g1, соответствующая моменту первых вступлений сигналов, отраженных от выделенного участка будет зарегистрирована в месте пересечения дуги с центром в точке В и радиусом АВ с вертикалью ВА5 (на рис. 16 это перемещение показано круговой дугой со стрелкой).
Для большей наглядности соответствующие координаты (х, г1 и X) показаны в обоих пространствах. Точки на оси абсцисс не меняют своего положения при переходе из одного пространства
в другое. Поэтому они обозначены одинаковыми буквами (B, C, D). Точки, имеющие разное положение в рассматриваемых пространствах, обозначены тоже одинаковыми буквами, но в пространстве сигналов смещенная точка имеет индекс s (см. точки A и As на рис. 16). Из приведенных построений видно, что для установления связей между точками соответствующих кривых двух пространств, кроме координат точек (x, z) в пространстве объектов и (X, W) в пространстве сигналов, необходимо использовать и производные функций, описывающих рассматриваемые кривые, в этих точках к = dz/dx = tg в и p = dW/dX = tg а, которые являются угловыми коэффициентами касательных к кривым в точках A и As, а углы наклона этих касательных соответственно равны в и а (см. рис. 1). Тогда интересующие нас преобразования (отображения, описывающие переход из пространства объектов в пространство сигналов) можно представить в виде
X = x + kz, W = zV 1 + к2, (2)
p = к /л/l + к2,
а переход из пространства сигналов в пространство интерпретации - в виде
x = X - pW,
z = wK-p\ (3)
к = p/л/l - p2.
Доказательство соотношений (2) и (3) приведено в Приложении.
Рассмотрим некоторые свойства отображений (2) и (3), представляющие интерес при интерпретации результатов зондирования.
Вначале рассмотрим преобразование прямой линии при переходе из одного пространства в другое. Наклон прямой в пространстве объектов характеризуется параметром к, а в пространстве сигналов - параметром p, причем в соотношениях (2) и (3) они связаны только друг с другом. Это означает, что при переходе из одного пространства в другое прямая отображается в прямую. Далее, из (2) при z = 0 получаем W = 0 и X = x, а из (3) при W = 0 получаем z = 0 и x = X. Это означает, что при переходе из одного пространства в другое точка пересечения прямой с осью абсцисс остается неподвижной (точка C на рис. 1). Используя формулы для угловых ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.