СПОСОБ РАДИО- И УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
METHOD OF RADIO AND ULTRASONIC SOUNDING

Изобретение относится к активной радио- и ультразвуковой локации и, в частности, может быть использовано для подповерхностного зондирования.
Одним из направлений повышения информационных возможностей систем дистанционного зондирования различных типов и назначения является получение и совместная обработка радио- и ультразвуковых изображений исследуемых объектов. В этой связи возникает проблема повышения эффективности (по критерию полноты извлечения информации) совместной обработки изображений, получаемых с помощью ультразвуковых и электромагнитных волн, на решение которой направлено заявляемое изображение.
Известен способ зондирования с получением радио- и ультразвуковых изображений объектов [Финкельштейн М.И., Мендельсон В.Л., Кутеев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. - М.: Сов. радио. 1977. 174 с. Методы и устройства радио- и акустической топографии / Под ред. А.П.Курочкина. - Л.: Наука. 1980. 126 с.], основанный на зондировании объекта радио- и ультразвуковыми волнами с выбранными частотами, параллельном или последовательном во времени многоканальном приеме сигналов с регистрацией амплитуды и фазы, их обработке, формировании независимых радио- и ультразвуковых изображений объекта и визуальном их анализе.
Недостатком способа является его низкая информативность, ввиду того, что изображения на частотах зондирования радио- и ультразвуковыми волнами формируют независимо друг от друга, а визуально сопоставляют уже сформированные изображения. При таком подходе к формированию и совместной обработке изображений высокие информационные возможности многочастотных сигналов и волновых полей различной физической природы используются не эффективно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, выбранному за прототип, является «способ диагностики с помощью ультразвуковых, звуковых и электромагнитных волн» [RU, патент №2378989, МПК А61В 8/00, 2010]. Способ заключается в том, что облучают объект радио- и ультразвуковыми волнами различных частот, перемещают по объекту излучатель и (или) приемник, принимают прошедшие и (или) отраженные волны, синхронно со сканированием регистрируют амплитуду, фазу и поляризацию принятых волн, формируют и анализируют визуальные изображения объекта.
Недостаток прототипа, как и аналога, состоит в низкой информативности, ввиду того, что по результатам зондирования формируют и визуально анализируют независимые радио- и ультразвуковые изображения объекта. Очевидно, качественно более высоких результатов в совместной обработке радио- и ультразвуковых изображений можно достигнуть при ее осуществлении на всех этапах, включая этапы совместной обработки сигналов и формирования гибридных радиоультразвуковых изображений.
Задача, которая стояла перед авторами заявляемого изобретения, заключалась в повышении эффективности совместной обработки изображений, получаемых при многочастотном радиолокационном и ультразвуковом зондировании объектов. Основная идея решения задачи состоит в совместном эффективном использовании в процессе формирования изображений информации, содержащейся в первичных информационных параметрах (в регистрируемых амплитудах и фазах) принимаемых многоканальных многочастотных радио- и ультразвуковых сигналов.
Техническим результатом данного изобретения является повышение информативности способа за счет формирования и визуального анализа цветных гибридных радиоультразвуковых изображений объектов, которые на уровне первичных информационных параметров принимаемых многоканальных многочастотных радио- и ультразвуковых сигналов объединяют содержащуюся в них информацию.
Достигаемый эффект при визуальном анализе цветных гибридных радиоультразвуковых изображений объектов сравним с тем, который существует при наблюдении оптических цветных изображений в сравнении с наблюдением нескольких ахроматических изображений объекта, полученных в отдельных участках спектра видимого диапазона длин волн.
Кроме того, гибридные радио- ультразвуковые изображения объектов в сравнении с независимыми изображениями, получаемыми на отдельных частотах радио- и ультразвуковых волн, имеют существенно более высокое разрешение, поскольку они формируются на основе многоканального и многочастотного результирующего сигнала.
ijк
ijк
ijк
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе диагностики с помощью ультразвуковых, звуковых и электромагнитных волн, основанном на генерации облучении объекта радио- и ультразвуковыми волнами различных частот, перемещении по объекту излучателя и (или) приемника, приеме прошедших и отраженных волн, синхронной со сканированием регистрацией амплитуды, фазы и поляризации принятых волн, формировании и анализе визуальных изображений, новым является то, что частоты зондирующих сигналов, интервалы времени излучения и поляризацию волн выбирают так, чтобы регистрируемые амплитуды A и фазы φ сигналов, излучаемых i-м элементом и принимаемых j-м элементом на частоте ω, были независимые, а изображение объекта формируют численными методами путем вычисления и пропорционального отображения для каждого элемента изображения значений функции правдоподобия ожидаемых значений амплитуд и фаз, рассчитанных на модели процесса зондирования элемента объекта, соответствующего рассматриваемому элементу изображения, причем составляющие функции правдоподобия, рассчитанные для зарегистрированных значений амплитуды и фазы на различных частотах и радио- и ультразвуковых волн, отображают различными цветами.
Совокупность известных операций с новыми, предложенными в заявляемом изобретении, характеризуют сущность изобретения и обеспечивают достижение технического результата при его осуществлении.
Для пояснения сущности заявляемого способа необходимо отметить следующее. Во-первых, изобретение базируется на так называемой радиолокационной технологии САОРИ (совместная апостериорная обработка результатов измерений) [(см. стр.32, кн.) Иванкин Е.Ф.Теоретические основы получения и защиты информации об объектах наблюдения: монография / Е.Ф.Иванкин, В.А.Понькин // - М.: Горячая линия - Телеком. 2008. 445 с.], особенность которой по сравнению с традиционной радиолокацией состоит в том, что обрабатываются не сами сигналы, а результаты измерения их информационных параметров, представляющие собой числа. Это позволяет реализовать эффективную вычислительную процедуру совместной обработки многочастотных радио- и ультразвуковых сигналов и квазигармонических сигналов различной физической природы, которые физически не взаимодействуют, и их совместная обработка традиционными методами эффективно выполнена быть не может.
ijк
ijк
Во-вторых, условие, обеспечивающее независимую регистрацию А и φ для обычно принимаемых на практике допущений, позволяет представить функцию правдоподобия для n-го элемента изображения в удобном для вычисления и отображения виде [(см. стр.25-32, кн.) Амиантов И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи. - М.: Сов. радио. 1971. 416 с.]
<mrow><msub><mi>Z</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mi>h</mi><mrow><mo>|</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>к</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><mrow><msub><mover accent="true"><mi>Y</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub><msubsup><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ijк
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>Y</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
где h - постоянный коэффициент, N, М - число передающих и приемных элементов, K - число ω частот,
- комплексные амплитуды зарегистрированных сигналов,
- комплексные амплитуды ожидаемых (опорных) сигналов, соответствующие зондированию n-го элемента объекта (рассчитываются на модели процесса зондирования).
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>Y</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
n
Так как массивы чисел
и
контролируемы, рассчитанные составляющие Z по формуле (1) для различных частот радио- и ультразвуковых волн могут быть отображены на изображении объекта различными цветами.
Поскольку при поляризационных измерениях регистрируемые амплитуды и фазы также независимы, они учитываются в (1) путем их суммирования (в (1) не показано для упрощения записи выражения).
Таким образом, введение дополнительных по сравнению с прототипом операций излучения зондирующих сигналов, обеспечивающих независимую регистрацию амплитуд и фаз всех частотах радио- и ультразвуковых волн для различных положений передающих и приемных элементов и состояния поляризации электромагнитных волн, формирования изображения объекта численными методами путем вычисления и пропорционального отображения для каждого элемента изображения значений функции правдоподобия ожидаемых значений амплитуд и фаз, рассчитанных на модели процесса зондирования соответствующего элемента объекта и отображения различными цветами составляющих функции правдоподобия, вычисленных на различных частотах и радио- и ультразвуковых волн, обеспечивает достижение заявляемого технического результата, что составляет существо изобретения.
Заявляемый способ, судя по доступным сведениям, является новым, поскольку впервые обеспечивает получение цветных гибридных радиоультразвуковых изображений объектов, по информативности превосходящих совокупность ахроматических радио- и ультразвуковых изображений, получаемых известными способами на отдельных частотах.
Заявляемый способ имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных известных технических решений явным образом не следует предложенная совокупность отличительных признаков, приводящая к повышению информативности способа за счет получения цветных гибридных радиоультразвуковых изображений объектов. Кроме того, способ и технический результат, достигаемый при его реализации, явным образом не следуют из известных принципов получения изображений объектов: радиоультразвуковой и оптической локации, оптики, голографии, томографии и др.
Предварительный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичным всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как может быть использовано в активных радио-, ультразвуковых и радиоультразвуковых локационных системах различных типов и назначения, обеспечивая при этом повышение их информативности. Кроме того, для реализации способа не требуется создания каких-либо новых технических устройств, поскольку он может быть реализован с использованием стандартного оборудования и приборов.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ. Устройство содержит: четырех- портовый векторный анализатор электрических цепей (ВАЦ) 1, устройство управления и обработки результатов измерений (УУО) 2, монитор (М) 3, усилители излучаемых сигналов (ИУ) 4, 5, усилители принимаемых сигналов (ПУ) 6, 7, преобразователь радиосигнала в ультразвуковой сигнал (ПРУ) 8, преобразователь ультразвукового излучения в радиосигнал (ПУР) 9, сканер излучателей радиоультразвуковых сигналов (СИ) 10, сканер приемников радиоультразвуковых сигналов (СП) 11, излучатель радиосигнала (РИ) 12, излучатель ультразвукового сигнала (УИ) 13, приемник радиосигнала (РП) 14, приемник ультразвукового сигнала (УП) 15.
Устройство, реализующее заявляемый способ радио- и ультразвукового зондирования, структурная схема которого показана на фиг.1, работает следующим образом.
Предварительно выполняют настройку устройства, в результате которой измеряют амплитудно-фазовые характеристики радио- и ультразвуковых каналов приема и излучения сигналов и записываются в УУО для их учета («выравнивания») при обработке результатов измерений. Затем выполняют измерения.
Устройство управления 1 с помощью сканирующих устройств СИ 10 и СП 11 устанавливает излучатели 12, 13 и приемники 14, 15 в исходное положение. ВАЦ 1 генерирует и последовательно с помощью усилителей 4, 5 и излучателей 12, 13 облучает объект зондирования (ЗО) 16 радио- и ультразвуковыми волнами различных частот. Отраженные или (и) прошедшие объект сигналы принимают приемниками 14, 15 и с помощью усилителей 6, 7 передают их на ВАЦ 1, который регистрирует амплитуды и фазы принятых сигналов на каждой частоте излучения, передает их на УУО 2, где синхронно регистрируются координаты положения приемников и передатчиков радио- и ультразвуковых сигналов. Затем процедура подобным образом повторяется при сканировании излучателями и (или) приемниками. Для получения результатов измерений при различных поляризациях приема и излучения электромагнитных волн настраивают (заменяют) излучатели радиосигналов и операцию выполнения измерений повторяют.
При выполнении измерений обеспечивают облучение всего объекта, изображение которого планируют получить. При невозможности выполнения этого условия объект разбивают на отдельные области, измерение и формирование изображений по которым проводят отдельно. Изображение всего объекта получают путем объединения изображений отдельных областей.
Независимость результатов измерений амплитуд и фаз радио- и ультразвуковых сигналов на различных частотах в устройстве обеспечивается разносом единичных измерений во времени.
ijк
ijк
Изображение объекта формируют численными методами путем вычисления и пропорционального отображения для каждого элемента изображения значений функции правдоподобия. Функция правдоподобия описывает всю полученную в результате измерений и априори имеющуюся информацию об объекте зондирования и представляет собой апостериорную плотность распределения вероятности наличия n элементов изображения зондируемого объекта, с априори ожидаемыми значениями информационных параметров принимаемых многоканальных и многочастотных радио- и ультразвуковых сигналов. Практическая возможность вычисления функции правдоподобия появляется при выполнении указанного в заявляемом способе условия проведения измерений. Совместно с приемлемым в практическом отношении допущении о независимости внутренних шумов в различных каналах и в различные моменты времени в одном канале, это условие позволяет представить функцию правдоподобия А и φ в виде произведения и перейти к независимому вычислению элементов изображения в соответствии с выражением (1).
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow>
В целом реализуемость алгоритма обработки результатов амплитудно-фазовых измерений (1) не вызывает сомнения. При вычислении ожидаемых значений амплитуд
и фаз
применительно к n-му элементу изображения исходят из того, что координаты местоположения соответствующего элемента объекта являются известными. Поэтому, в соответствии с используемыми моделями в радио- и акустической локации, находят
<mrow><msubsup><mi>A</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mi>j</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mi>к</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>j</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>F</mi><mi>к</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>j</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>к</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>ϕ</mi><mrow><mi>o</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
in
jn
ijк
к
к
к
к
к
on
где R, R - расстояния от i-го элемента излучения до n-го элемента объекта и от n-го элемента объекта до j-го элемента приема сигналов, σ - эффективная поверхность «отражения» n-го элемента объекта на частоте ω=2πfk применительно к i-му и j-му элементам излучения и приема сигналов, α - коэффициент затухания волн на частоте f, V - скорость распространения радио и ультразвуковых волн на частоте f, φ - фаза «отражения» при взаимодействии волн с n-м элементом объекта.
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>α</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>к</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow>
n
Построение более достоверных моделей процесса зондирования объекта осуществляют путем их последовательного уточнения методами теории оценки параметров сигнала [Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. - М.: Сов. радио. 1978. С.296] и использования накопленного опыта [Вопросы подповерхностной радиолокации / Под ред. А.Ю.Гринева. - М.: Радиотехника. 2005. С.416] следующим образом. Полагают в (1)
функцией, зависящей от некоторых неизвестных параметров θ, при вычислении Z одновременно осуществляют совместную оценку θ.
Оценку технического результата заявляемого способа (повышение информативности способа за счет формирования и анализа цветных, гибридных радиоультразвуковых изображений объектов) можно провести на основе следующих рассуждений.
Известно, что увеличение числа приемопередающих каналов и широкополосности зондирующих сигналов, в том числе за счет увеличения числа излучаемых частот, приводят к повышению информативности радиолокационных систем различных типов и назначения. Предлагаемый способ обеспечивает совместную оптимальную (по критериям теории оптимального приема сигналов) обработку многоканальных многочастотных результатов измерений, выполненных с использованием радио- и ультразвуковых сигналов. Формируемые в результате обработки гибридные радиоультразвуковые изображения основаны на использовании результирующего радиоультразвукового многоканального многочастотного сигнала. Поэтому формируемые в соответствии с предлагаемым способом гибридные радиоультразвуковые изображения обладают более высокой информативностью в сравнении с независимо формируемыми радио- и ультразвуковыми изображениями в прототипе.
Такие образом, заявляемый способ обеспечивает достижение существенного технического эффекта, а практическая реализация способа может быть осуществлена на базе существующих приборов и стандартного оборудования с разработкой вполне реализуемого алгоритма обработки результатов радио- и ультразвуковых измерений.