Рейтинг@Mail.ru




Теоретические и экспериментальные исследования методов восстановления радиоголограмм объектов, заглубленных в сложных неоднородных средах


Одним из методов получения изображений объектов, находящихся в оптически непрозрачных средах, является радиоголография, при этом радиоизображение подповерхностого объекта восстанавливается по рассеянному объектом полю (радиоголограмме), регистрируемому либо с помощью набора передающих и приемных элементов, либо с помощью единственного приемопередатчика, перемещаемого по некоторой поверхности, называемой апертурой. Очень часто при обработке радиоголограмм используется относительно простая модель однородного полупространства с плоской границей раздела. Однако в реальных ситуациях часто оказывается, что среда, в которой расположен требующий обнаружения объект, имеет либо неплоскую границу раздела воздух–среда, либо внутренние неоднородности. Примером среды с неплоской поверхностью являются стены, отделанные фигурными гипсовыми панелями. Также неплоские поверхности часто встречаются при обследовании объектов культурного наследия. Внутренние неоднородности среды создают проблемы, например, при диагностике теплозащиты топливных баков космических аппаратов, из-за того что металлическая поверхность бака создает дополнительные переотражения сигнала. Использование при восстановлении радиоизображений объектов, расположенных в таких средах, модели однородного полупространства приводит к тому, что на получаемых радиоизображениях объект в лучшем случае получается размытым, а в худшем — результат восстановления радиоголограммы не имеет отношения к реальности.

Данный проект посвящен разработке подходов к восстановлению объектов, расположенных в сложных средах, с использованием априорной информации о среде. Для оцифровки рельефа поверхности планируется использовать RGB-D видеосенсор, позволяющий измерять дальность до каждой точки регистрируемого оптического изображения, а для получения рельефа металлической подложки при диагностике теплозащиты будет использоваться двухчастотный метод, заключающийся в регистрации радиоголограмм на двух близких частотах и измерении дальности по разности фаз между ними. Также будут исследованы другие виды неоднородных сред. Для решения обратной задачи восстановления планируется использовать метод моментов с реализацией в виде итеративной процедуры Гаусса–Ньютона с регуляризацией Тихонова. Разработанные методы будут проверены экспериментально с помощью имеющихся у коллектива исполнителей подповерхностных голографических радиолокаторов и экспериментальных стендов, предназначенных для диагностики теплоизоляционных покрытий объектов ракетно-космической техники в СВЧ диапазоне.

Аннотация отчета за 2018 год:

Радиоголография является одним из методов получения изображений объектов, находящихся в оптически непрозрачных средах, при этом радиоизображение подповерхностого объекта восстанавливается по рассеянному объектом полю (радиоголограмме), зарегистрированному на некоторой, обычно плоской, апертуре. В реальных ситуациях часто оказывается, что среда, в которой расположен требующий обнаружения объект, имеет неплоскую верхнюю границу. При регистрации радиоголограммы на плоской апертуре, расположенной на небольшом расстоянии от такой поверхности, отражения от поверхности, которые по амплитуде обычно превышают отражения от подповерхностного объекта, не позволяют получить качественное радиоизображение объекта.

В данном проекте предложен метод получения радиоизображений объектов, расположенных в средах с неровной поверхностью, включающий следующие шаги:

  • регистрация радиоголограммы на плоской апертуре, в данную радиоголограмму вносят вклад отражения от объекта (полезная составляющая) и отражения от поверхности (мешающая составляющая);
  • оцифровка рельефа поверхности (способы оцифровки будут обсуждаться далее);
  • моделирование радиоголограммы поверхности с использованием полученного рельефа;
  • пространственное совмещение экспериментальной и смоделированной радиоголограмм;
  • подгонка амплитуды и фазы экспериментальной и смоделированной радиоголограмм;
  • вычисление разности между экспериментальной радиоголограммой (включающей информацию о поверхности и об объекте) и смоделированной радиоголограммой (включающей информацию только о поверхности);
  • получение радиоизображения подповерхностного объекта путем применения метода обратного распространения к разностной радиоголограмме.

Разумеется, предположение об аддитивности радиоголограмм поверхности и подповерхностного объекта является достаточно грубым, так как неровная граница воздух–среда влияет на электромагнитную волну при ее распространении от антенны к подповерхностному объекту и обратно, а также между объектом и поверхностью возникают многократные переотражения. Поэтому в результате вычитания будет получена не истинная радиоголограмма объекта (которая была бы зарегистрирована при расположении объекта в однородном пространстве, а радиоголограмма, искаженная неровной поверхностью. Однако проведенные эксперименты показали, что даже при восстановлении искаженной радиоголограммы получается радиоизображение объекта, позволяющее уверенно определить его форму.

Предложено два подхода к оцифровке рельефа поверхности. Первый заключается в использовании RGB-D видеосенсора, позволяющего измерять дальность до каждой точки регистрируемого оптического изображения (карту глубины). Второй метод не требует дополнительных каналов измерения и заключается в использовании широкополосного радиолокационного сигнала.

Проведенные эксперименты показали эффективность предложенных подходов.

Аннотация отчета за 2019 год:

В последние годы технология радиовидения (метод интроскопии, позволяющий с помощью радиоволн получать изображения объектов, находящихся в оптически непрозрачной среде) успешно используется для неразрушающего контроля диэлектрических материалов, используемых в ракетно-космической промышленности, в частности, теплоизоляционных покрытий ракетных баков для криогенного топлива. При этом решение обратной задачи рассеяния осложняется из-за наличия металлической поверхности бака, являющейся для электромагнитных волн идеальным отражателем.

В данном проекте для восстановления внутренней структуры теплоизоляционного покрытия разработан метод, основанный на итеративном методе Гаусса–Ньютона с использованием функции Грина, учитывающей наличие металлической поверхности. Эффективность метода продемонстрирована на данных, полученных как с помощью математического моделирования, так и экспериментально.

Рассмотрены пути решения проблемы определения расстояния расстояние от плоскости регистрации радиолокационных данных до подповерхностного объекта/дефекта. В случае однородного диэлектрического полупространства (без металлической поверхности) оно может быть определено даже при использовании одночастотного сигнала методом наилучшей фокусировки. Однако при наличии металлической поверхности, при моностатической конфигурации антенной системы, использовавшейся в экспериментах, данный метод не работает, так как подповерхностный объект получается практически одинаково хорошо сфокусированным на разных расстояниях, расположенных периодически, и определить истинное расстояние невозможно. Исследования показали, что мультистатическая конфигурация с разнесенными передающими и приемными антеннами позволяет решить проблему определения расстояния до объекта.

На базе широкополосных радиолокационных измерений разработан метод определения формы металлической поверхности. Разработан метод восстановления радиоголограмм для случая неплоской поверхности с использованием полученной информации о ее форме. Оценена необходимая точность определения формы отражающей поверхности для получения качественных радиоизображений объектов, находящихся над этой поверхностью.

Программно реализован метод «фазового экрана», предназначенный для восстановления трехмерных изображений объектов, скрытых под неплоской поверхностью раздела сред. На экспериментальных данных выполнено его сравнение с методом, предложенным на предыдущем этапе проекта. Показано, что оба метода дают практически идентичные результаты.

Аннотация итогового отчета (2020 год):

Одним из методов получения изображений объектов, находящихся в оптически непрозрачных средах, является радиоголография, при этом радиоизображение подповерхностого объекта восстанавливается по рассеянному объектом полю (радиоголограмме), зарегистрированному на некоторой апертуре. Обычно при обработке радиоголограмм используется относительно простая модель однородного полупространства с плоской границей раздела. Однако в реальных ситуациях часто оказывается, что среда, в которой расположен требующий обнаружения объект, имеет либо неплоскую границу раздела воздух–среда, либо внутренние неоднородности. Использование при восстановлении радиоизображений объектов, расположенных в таких средах, модели однородного полупространства приводит к тому, что на получаемых радиоизображениях объект в лучшем случае получается размытым, а в худшем — результат восстановления радиоголограммы не имеет отношения к реальности.

Данный проект посвящен разработке подходов к восстановлению объектов, расположенных в сложных средах, с использованием априорной информации о среде. В качестве сложных сред рассмотрены следующие: среда с неровной верхней поверхностью; среда, ограниченная снизу металлической поверхностью; среды с внутренней структурой; среды с пространственной неоднородностью диэлектрической проницаемости.

Для восстановления радиоизображений объектов, находящихся в однородных средах с неровной верхней поверхностью, предложен метод, заключающийся в моделировании отражения от поверхности, построении и восстановлении радиоголограммы объекта, являющейся разностью зарегистрированной радиоголограммы всей сцены и смоделированной радиоголограммы поверхности. Несмотря на то что используемое предположение об аддитивности радиоголограмм поверхности и объекта является не совсем корректным, предложенный подход позволяет существенно улучшить качество получаемых радиоизображений.

Предложено два подхода к оцифровке рельефа поверхности. Первый заключается в использовании RGB-D сенсора, позволяющего измерять дальность до каждой точки регистрируемого оптического изображения (карту глубины). Второй метод не требует дополнительных каналов измерения и заключается в использовании широкополосного радиолокационного сигнала.

Для получения радиоизображений объектов, расположенных в средах, ограниченных снизу металлической поверхностью, разработан метод, основанный на аппроксимации Борна при записи уравнения рассеяния, который реализован с помощью итеративного алгоритма Гаусса–Ньютона с регуляризацией Тихонова. Для тестирования метода использовались как вычислительные, так и физические эксперименты. Показано, что для получения хорошо сфокусированного радиоизображения объекта необходимо использовать функцию Грина, соответствующую геометрии зондирования. Для этого глубина расположения объекта должна быть известна с субмиллиметровой точностью. При неизвестной глубине она не может быть определена с помощью известного метода наилучшей фокусировки, хорошо работающего в однородном полупространстве. Наличие металлического листа приводит к переотражениям сигнала между ним и объектом, из-за чего последний получается практически одинаково хорошо сфокусированным на нескольких радиоизображениях, соответствующих как истинной глубине, так и другим глубинам, расположенным периодически. Рассмотрено несколько методов решения проблемы определения глубины: использование широкополосного сигнала, использование мультистатической конфигурации антенной системы, сочетание первых двух методов. Показано, что наилучшие результаты достигаются сочетанием двух методов.

В качестве источника дополнительной информации о зондируемой среде во многих разработанных методах используются данные, получаемые RGB-D сенсором. Поэтому был разработан метод совмещения радиолокационной и оптической информации, ключевым моментом которого является определение взаимного положения антенной системы радиолокатора и сенсора. Метод основан на регистрации о совместной обработке радиолокационных и оптических данных с использованием калибровочной мишени, представляющей собой плоский лист из слабо отражающего электромагнитные волны материала с нанесенной разметкой, к которому прикреплены несколько (не менее трех) шариков небольшого диаметра, имитирующих точечные объекты.

Разработаны методы компенсации поверхностных неоднородностей зондируемых объектов, основанные на пространственной и спектральной фильтрации радиолокационных данных с использованием оптической информации о неоднородностях.

Разработаны методы обследования материалов с непостоянной по объему диэлектрической проницаемостью, в том числе слоистых материалов и материалов с пространственной неоднородностью.

Разработан метод получения радиоизображений внутренних объектов/дефектов в ячеистых композиционных материалах, основанный на подавлении отражений от внутренней структуры путем фильтрации в спектральной области.

Все разработанные методы проверены как на данных численного моделирования, так и экспериментально.

Материал, в научно-популярной форме иллюстрирующий основные результаты проекта, полученные в 2018 году

Материал, в научно-популярной форме иллюстрирующий основные результаты проекта, полученные в 2019 году

Материал, в научно-популярной форме иллюстрирующий основные результаты проекта, полученные в 2020 году

Публикации по проекту:

  1. Разевиг В.В., Бугаев А.С., Журавлев А.В., Ивашов С.И., Чиж М.А. Радиовидение в средах с неровной поверхностью // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 11. С. 3–10. DOI: 10.18127/j20700784-201811-01
  2. Разевиг В.В., Ивашов С.И., Бугаев А.С., Журавлев А.В., Чиж М.А. Радиовидение в диэлектрических средах, ограниченных металлической поверхностью // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. № 6. С. 5–14. DOI: 10.18127/j20700784-201906-01
  3. Разевиг В.В., Ивашов С.И., Бугаев А.С., Журавлев А.В. Определение взаимного положения антенной системы и RGB-D сенсора в комбинированной системе радиовидения // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. T. 74. № 6. С. 5–16. DOI: 10.18127/j20700784-202006-01


© RSLab, 1999-2020 Тел.: (499) 263-6509, (495) 632-2219
Моб.: 8-903-687-2291
E-mail: sivashov@rslab.ru