Способ восстановления радиоголограмм подповерхностных объектов, находящихся в средах с неровной поверхностью
METHOD OF RESTORING RADIO HOLOGRAMS OF SUBSURFACE OBJECTS LOCATED IN MEDIA WITH AN UNEVEN SURFACE

Область техники
Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно, к способам определения расположения и формы неоднородностей и включений в конденсированных средах.
Уровень техники.
Известен способ подповерхностного зондирования, (Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии, М., Недра, 1986, с. 46). Он основано на использовании непрерывного сигнала с изменением частоты по симметричному или несимметричному пилообразному закону. Частота биений между опорным / прямым / и отраженным сигналами, является функцией расстояния до объекта.
Известен также способ зондирования конденсированных сред (Journal of Applied Physics, v.56, №9, 1984, p.2575) со ступенчатым изменением частоты в заданном диапазоне.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ зондирования конденсированных сред (RU 2000103678 A, 10.01.2002, G01V 3/12) со ступенчатым изменением сигнала в заданном диапазоне частот, при этом частоты зондирующего сигнала выбираются с равномерным шагом в диапазоне
от ;
до ,
где:
min
k=0,72;
max
k=0,81;
D - диаметр антенны;
min
max
с - скорость света, при этом количество отдельных частот в диапазоне от f до f должно быть не менее пяти.
Недостатком аналогов и прототипа является то, что при работе на средах с неровной поверхностью данный способ не позволяет получить детализированные радиоизображения подповерхностных объектов, так как сильные отражения от неровной поверхности среды маскируют более слабые отражения от подповерхностных объектов, расположенных дальше от плоскости регистрации радиоголограммы.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов.
На фиг. 1 представлена гипсовая панель с заложенным под нее объектом.
На фиг. 2 представлен стенд для проведения экспериментов.
На фиг. 3 показана действительная часть радиоголограммы.
На фиг. 4 показан результат восстановления без учета рельефа поверхности.
На фиг. 5 представлена оцифровка рельефа гипсовой панели.
На фиг. 6. представлена карта глубины.
На фиг. 7 представлен рельеф гипсовой панели, полученный по данным видеосенсора Kinect v2.
Фиг. 8. Действительная часть рассчитанной радиоголограммы.
Фиг. 9. Действительная часть разностной радиоголограммы.
Фиг. 10. Результат восстановления разностной радиоголограммы.
Задача.
Техническая задача состоит в устранении указанного недостатка за счет создания цифровой карты рельефа неровной поверхности среды с использованием датчика глубины, позволяющего измерять расстояние, соответствующее каждому пикселю получаемого датчиком глубины оптического изображения, рассчитывается радиоголограмма поверхности с использованием полученного рельефа неровной поверхности среды, рассчитывается разностная радиоголограмма (разность между экспериментальной и расчетной радиоголограммами), по разностной радиоголограмме вычисляется радиоизображение подповерхностного объекта методом обратного распространения.
Отличительные признаки.
1. В отличие от известного способа, включающего в себя ступенчатое изменение сигнала в заданном диапазоне частот с равномерным шагом в диапазоне
от ;
до ,
где:
min
k=0,72;
max
k=0,81;
D - диаметр антенны;
min
max
с - скорость света, количество отдельных частот в диапазоне от f до f не меньше пяти и осуществляется выравнивание амплитудно-частотной характеристики, дополнительно создается цифровая карта рельефа неровной поверхности среды с использованием датчика глубины, позволяющего измерять расстояние, соответствующее каждому пикселю получаемого датчиком глубины оптического изображения, рассчитывается радиоголограмма поверхности с использованием полученного рельефа неровной поверхности среды, рассчитывается разностная радиоголограмма (разность между экспериментальной и расчетной радиоголограммами), по разностной радиоголограмме вычисляется радиоизображение подповерхностного объекта методом обратного распространения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Одним из методов получения изображений объектов, находящихся в оптически непрозрачных средах, является радиовидение, когда радиоизображение подповерхностного объекта восстанавливается по рассеянному им полю (радиоголограмме), регистрируемому с помощью приемо-передатчика, перемещаемого по плоскости регистрации радиоголограммы, расположенной на небольшом расстоянии от поверхности среды.
Обычно при восстановлении радиоголограмм используется модель однородного полупространства с плоской границей раздела. При работе на средах с неровной поверхностью данная модель не позволяет получать детализированные радиоизображения подповерхностных объектов, так как сильные отражения от поверхности маскируют более слабые отражения от подповерхностных объектов, расположенных дальше от плоскости регистрации радиоголограммы.
Для получения радиоизображения подповерхностного объекта, расположенного в среде с неровной верхней поверхностью, предложен способ восстановления радиоизображений объектов, находящихся в однородных средах с неровной верхней поверхностью, который заключается в создании цифровой карты рельефа поверхности с использованием датчика глубины (RGB-D видеосенсора, позволяющего регистрировать карту глубины, то есть измерять расстояние, соответствующее каждому пикселю получаемого оптического изображения), моделировании радиоголограммы поверхности с использованием полученного рельефа среды, вычислении разностной радиоголограммы с предварительной подгонкой амплитуды и фазы экспериментальной и расчетной радиоголограмм, получении радиоизображения подповерхностного объекта путем применения метода обратного распространенения к разностной радиоголограмме.
Эксперименты проводились с использованием голографического подповерхностного радиолокатора РАСКАН с непрерывным монохроматическим сигналом частотой 6.8 ГГц. Объектом выступала вырезанная из фольги буква «R», заложенная под стеновую гипсовую 3D панель размером 600×600×38 мм (Фиг. 1). Панель располагалась на стопке листов из сухой штукатурки для имитации однородного полупространства (на фиг. 1 панель приподнята, чтобы объект был виден). Ручное сканирование осуществлялось по листу оргстекла толщиной 10 мм, расстояние от верхней поверхности листа до вершин пирамид гипсовой панели составляло 35 мм (фиг. 2). Размер области сканирования W×Н составлял 400×400 мм с шагом между выборками радиолокационного сигнала 5 мм по обеим осям. Оргстекло было размечено так, чтобы область регистрации радиоголограммы располагалась относительно панели симметрично. На фиг. 3 приведена зарегистрированная радиоголограмма, а на фиг. 4 - результат ее восстановления без учета рельефа поверхности, в предположении, что поверхность является плоской. В данном случае регулярная структура рельефа позволяет предположить наличие в правом нижнем углу постороннего объекта (но его форму определить нельзя), но в случае хаотичного рельефа даже наличие объекта определить будет невозможно.
Для оцифровки рельефа поверхности использовался RGB-D видеосенсор Kinect v2, позволяющий измерять расстояние с точностью до нескольких миллиметров. На фиг. 5 показан Kinect v2 во время получения рельефа гипсовой панели, а на фиг. 6 - данные канала дальности в виде полутонового изображения (карта глубины), где на цветовой шкале расстояние, измеряемое от видеосенсора, указано в метрах, белый цвет соответствует минимальному расстоянию, а черный - максимальному.
При работе с видеосенсором было невозможно обеспечить абсолютную параллельность оптической оси видеосенсора и нормали к поверхности панели (имеется в виду нормаль к панели как к целому объекту). На фиг. 5 видно, что левый верхний угол панели оказался несколько ближе к видеосенсору, чем правый нижний угол. Поэтому после оцифровки рельефа точки, соответствующие вершинам пирамид на гипсовой панели, были аппроксимированы плоскостью, был вычислен угол β между этой плоскостью и плоскостью z=0, и все точки оцифрованной поверхности были повернуты на угол β, а также смещены таким образом, чтобы вершины пирамид лежали в плоскости z=0, а начало координат по осям x и y находилось в центре панели. В результате этого был получен рельеф, представленный на фиг. 7, где для улучшения восприятия изображения шаг между точками увеличен в три раза по сравнению с исходным шагом. Моделирование радиоголограммы поверхности осуществлялось в соответствии с методикой, заключающейся в представлении поверхности набором плотно расположенных всенаправленных точечных рассеивателей. В данном случае рассеиватели располагались в узлах сетки с шагом 2 мм.
0
Комплексная амплитуда отраженного от поверхности сигнала, зарегистрированного приемником в точке плоскости регистрации с координатами (x, y, z), вычислялась по формуле
,
0
PS
0
0
j
j
j
j
j
T
T
где Е - амплитуда возбуждения передатчика; σ - эффективная площадь рассеяния, введенная в формулу для соблюдения размерности; N - количество описывающих поверхность точечных рассеивателей; r=[x, y, z] - вектор координат приемо-передающей антенны; z=35 мм; r=[x, y, z] - вектор координат j-го точечного рассеивателя; g(f, θ) - диаграмма направленности антенны в направлении на точечный рассеиватель, имеющая для использующейся антенны в виде открытого конца круглого волновода вид ; θ(r, r) - угол между вектором нормали к плоскости регистрации и направлением из точки приемо-передатчика на j-й точечный рассеиватель; а - радиус волновода; k=2πf/c - волновое число; f - частота сигнала; c - скорость света.
При регистрации данных радиолокатором возникает набег фазы, складывающийся из некоторой начальной фазы и набега фазы в антенне и в разъемах. При вычитании экспериментальной и смоделированной радиоголограмм необходимо обеспечить, чтобы этот набег был одинаков в обеих радиогологрммах. Кроме того, необходимо учесть, что в плоскости регистрации между радиоголограммами может присутствовать остаточный сдвиг, вызванный ошибками при разметке области сканирования и при оцифровке поверхности. Обе эти задачи решались одновременно. Для каждого значения набега фазы ϕ в диапазоне от 0 до 2π с шагом π/100 вычислялась двумерная взаимная корреляционная функция между нормализованными экспериментальной радиоголограммой и смоделированной радиоголограммой, сдвинутой по фазе на ϕ:
.
0
0
0
Максимальное значение C(ϕ, u, ν) соответствует как искомому набегу фазы ϕ, который нужно добавить к смоделированной радиоголограмме, так и сдвигу между радиоголограммами в плоскости регистрации (u, ν). После этого можно вычислить разностную радиоголограмму, являющуюся радиоголограммой подповерхностного объекта:
.
Смоделированная радиоголограмма гипсовой панели приведена на фиг. 8. Разностная радиоголограмма, полученная в результате вычитания экспериментальной и смоделированной радиоголограмм, приведена на фиг. 9. Результат ее восстановления приведен на фиг. 10.
Предложенный способ восстановления радиоголограмм подповерхностных объектов, находящихся в средах с неровной поверхностью, позволяет скомпенсировать отражения от поверхности и получить детализированные радиоизображения подповерхностных объектов.