РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 7, с. 824-839
ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
УДК 621.396.96
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИМПУЛЬСНОМ РАДИОЛОКАТОРЕ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
© 2004 г. О. Н. Линников, Ю. Г. Сосулин, Б. Б. Толмазов, В. Н. Трусов, Б. А. Юфряков
Поступила в редакцию 15.07.2003 г.
Исследованы методы цифровой обработки радиолокационных сигналов и изображений при импульсном подповерхностном зондировании: предварительная обработка, формирование трехмерных изображений, синтезирование апертуры, сжатие импульса, адаптивная пороговая обработка, линейная и нелинейная фильтрация, поляризационная обработка. Основное внимание уделено экспериментальной оценке эффективности процедур обработки и выбору их параметров. Анализ исследуемых процедур осуществлен путем обработки данных, полученных при зондировании различных сред (песок, бетон, кирпич) и объектов (металлические штыри, пластины и арматура, полая пластмассовая труба).
ВВЕДЕНИЕ
Радиолокаторы подповерхностного зондирования (РЛПЗ) используются при решении многих практических задач [1, 2], причем сфера их применения постоянно расширяется [3, 4]. В настоящее время наиболее распространены импульсные РЛПЗ, в которых в качестве зондирующих сигналов используются импульсы нано- и пикосекундной длительности. Существенными преимуществами таких РЛПЗ являются простота схем формирования и приема сигналов; обеспечение максимального проникновения излучения в грунт за счет снижения средней частоты при сохранении ширины спектра, обеспечивающей требуемую разрешающую способность по дальности; сравнительная простота отображения радиолокационной информации о подповерхностных объектах и определения глубины их залегания.
В работе [5] рассмотрены и в [6] более подробно описаны структура, особенности построения и тактико-технические характеристики импульсного РЛПЗ "Дефектоскоп", применяемого при анализе различных строительных конструкций. Достигнутые показатели качества этого РЛПЗ (в частности, разрешающая способность в направлении зондирования 0.02 м и в поперечном направлении 0.03 м, возможности решения задач обнаружения, определения местоположения и распознавания подповерхностных объектов) обусловлены не только элементной базой и построением аппаратной части РЛПЗ, но и разработанным математическим и программным обеспечением, прежде всего алгоритмами, реализующими эффективные методы цифровой обработки радиолокационных сигналов и изображений. Исследованию этих методов и алгоритмов и посвящена данная работа, причем ее основная цель - изложить особенности проекти-
рования и применения различных процедур обработки, проиллюстрировать все предложенные алгоритмы результатами экспериментальных исследований и дать рекомендации по выбору параметров обработки. Полученные рекомендации и экспериментальные оценки эффективности практического применения рассмотренных методов в подповерхностной радиолокации целесообразно учитывать при разработке импульсных РЛПЗ. Некоторые из приведенных ниже результатов кратко описаны в [7-9].
1. РЕГИСТРАЦИЯ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ
ОБРАБОТКА И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ДАННЫХ
Типовые методы зондирования исследуемой среды при помощи РЛПЗ сводятся к сканированию антенной системой по поверхности раздела воздух-среда, регистрации принимаемых радиолокационных сигналов и их привязке к координатам антенн в системе координат, связанной с зоной сканирования.
Рис. 1а иллюстрирует процедуру сбора данных при использовании антенной системы, состоящей из разнесенных на расстояние 2й передающей и приемной антенн с линейной поляризацией, ориентированной параллельно оси у. Координаты антенной системы определяются по центру базы антенной системы - по точке, расположенной посередине между передающей и приемной антеннами. Зона сканирования представляет собой горизонтальную плоскость, система синхронизации приемопередатчика обеспечивает точное измерение временных интервалов между излученными и принятыми сигналами. Сканирование проводится
в прямоугольной области с границами Хмакс и Умакс. Вначале рассмотрим случай, когда в зондируемой однородной среде находится одиночный точечный отражающий объект, расположенный на глубине Н в начальной точке сканирования (х = 0, у = 0). В момент, когда антенная система находится в точке (х, у), пути распространения сигналов от передающей антенны к объекту и от объекта к приемной антенне Я2 определяются из соотношений
(а)
= ^Н2 + (х{ - й)2 + у2,
#2 = ТН^+^^ + й^^+У2.
(1)
При регистрации результатов зондирования в каждой точке сканирования с координатами (х, у) стробоскопический приемник фиксирует значения принятых сигналов в выбранном временном диапазоне (0, Тмакс) в дискретные моменты времени с шагом А?. Эти значения называем временны -ми отсчетами. Если провести масштабирование пространственных координат сканирования (х, у) и временных отсчетов таким образом, чтобы они принимали целочисленные значения, то все зарегистрированные данные можно представить в виде трехмерного массива чисел размером Хмакс 7макс Тмакс. Этот массив, который будем называть пространством сигналов, является конечным результатом регистрации данных.
На рис. 16 схематично представлено пространство сигналов, соответствующее результатам зондирования среды (рис. 1а). Точка Ти на временной оси Т соответствует моменту излучения сигнала передающей антенной, точка Т0 - моменту регистрации сигнала прямого прохождения. В большинстве случаев сигнал прямого прохождения приходит с воздушной волной, и время прямого прохождения можно определить по формуле
То = Т0 - Ти = 2й/с,
(2)
(б)
где с - скорость распространения радиоволн в воздухе.
На рис. 16 показаны сигналы в четырех точках сканирования в виде колебаний из трех полуволн. Момент на временной оси соответствует регистрации отраженного от точечного объекта сигнала, расположенного на глубине Н непосредственно под центром антенной системы. Заметим, что момент Ти обычно невозможно определить точно, поэтому на практике времена задержки отраженных сигналов измеряются относительно Т0 и затем учитывается время прямого прохождения Т0. При известной скорости распространения сигнала в среде V можно определить время запаздывания сигнала, излученного передающей антенной и принятого после отражения от рассматриваемого точечного объекта приемной антенной при расположении центра антенной системы в
Рис. 1. Область зондирования (а) и пространство сигналов (б).
точке с координатами (х, у). Указанное время запаздывания относительно момента Т0 регистрации сигнала прямого прохождения с учетом (1) и (2) составляет
Т(х, у) = (IV)7Н2 + (х{ - й)2 + у2 + + (1/V )7 Н2 + (х1 + й )2 + у2 - Т0.
(3)
На практике по результатам регистрации принимаемых сигналов приходится строить геометрическую модель расположения объектов в среде с неизвестными параметрами. Решением этой задачи занимается человек-оператор (интерпретатор), анализирующий при помощи вычислительных средств в интерактивном режиме результаты зондирования и принимающий решения об обнаружении объектов и их идентификации.
0
*макс *
X
Для обнаружения точечного объекта, расположенного на неизвестной глубине в среде с неизвестной скоростью распространения сигналов, интерпретатору сначала необходимо найти точку в зоне обзора, для которой временное запаздывание отраженных от объекта сигналов минимально, затем перенести начало системы координат в эту точку с соответствующей ориентацией осей (ось х параллельна базе разноса антенн, а ось у перпендикулярна к ней (рис. 1а)). В зависимости от условий наблюдения выбирается одно из вертикальных сечений пространства сигналов (по оси х или по оси у), а на соответствующем профиле переднего фронта отраженного от точечного
объекта сигнала фиксируется точка 10 и удаленная точка с координатами (у, у или (х, гх). После измерения временных интервалов при перемещении антенной системы из начала координата в точку
зондирования (0, у;) можно определить оценку V неизвестной скорости сигналов в среде V:
V =
(4)
= 2у/7(т(0, у}) - т(0, 0))(т(0, у}) + т(0, 0) + 2т0).
После измерения временных интервалов при перемещении антенной системы из начала координат в точку зондирования (х, 0) определяем оценку скорости по формуле
V =
i
2 X;
(x(x, 0) - т(0, 0) )(T(Xi, 0) + т(0, 0) + 2То)
1+1-
4d (т(x¡, 0) - т(0, 0))(т(х¡, 0) + т(0, 0) + 2т0)
X2(т(X;, 0) + Т0)2
(5)
Затем, используя одну из полученных оценок скорости распространения сигналов ((4) или (5)), находим оценку глубины залегания объекта:
h =
У2(Т(0, 0) + Т0)2/4 - d2.
(6)
Ситуация усложняется, если отражающий объект является не точечным, а протяженным. Но и в данном случае возможно решение рассматриваемых задач, включая оценивание скорости распространения радиоволн. Покажем это на примере, когда объект в виде тонкого линейного проводника лежит в горизонтальной плоскости на глубине Н в начальной точке координатной системы и пересекает зону зондирования под углом ф к оси х (рис. 1а). Тогда при расположении антенны в точке с координатами (х^, у) пути распространения сигналов от передающей антенны до точки прямой Р, от которой приходит первое отражение, и от этой точки до приемной антенны
(обозначенных на рис. 1а соответственно Я\ и Я'2) определяются из соотношений
R'i(хyj, Ф) =
/72 ^ . 2 2 2 72 ~
= ^h + (x¡ - d) sin ф + yj cos ф + d cos ф,
R2(x ¡, yj, Ф) =
/72 3 ,42 . 2 2 2 72 2 = дjh + (x¡ + d) sin ф + yj cos ф + d cos ф.
(7)
(8)
Соответствующее время запаздывания первого отраженного от линейного проводника сигнала относительно Т0равно
(9)
Т(X = ( 1/V)Х
/72 ^ ,. 2 . 2 2 2 Л ~ х h + (X ¡ - d) sin ф + yj cos ф + d cos ф +
+ (1/V) х
/72 / j\2 ■ 2 2 2 72 ~ х /Jh + (x¡ + d) sin ф + yj cos ф + d cos ф - т0-
Для определения скорости распространения сигналов и глубины залегания проводника даже при условии, что значение угла ф оператору неизвестно, достаточно из (9) получить выражения, аналогичные (4) и (5):
V =
2yjcosф
7(т(0, yj) - т(0, 0))(т(0, yj) + т(0, 0) + 2Т0)'
V =
i
22 2 x¡ sin ф
(T(x¡, 0) - т(0, 0))(T(x¡, 0) + т(0, 0) + 2Т0)
1+ 1-
d (
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.