Рейтинг@Mail.ru




Разработка методов моделирования сложных систем радиовидения малого радиуса действия
(проект РФФИ №20-07-00171)


Радиовидение — метод интроскопии, позволяющий с помощью радиоволн визуально изучать внутреннее строение объектов, непрозрачных в оптическом диапазоне волн и наблюдать объекты, находящиеся в оптически непрозрачной среде. Актуальность исследования связана с постепенным расширением списка прикладных областей, где становятся востребованными системы радиовидения, и, соответственно, ростом интереса к ним.

Проект направлен на разработку комплекса математических методов, моделей и программ для моделирования сложных систем радиовидения малой дальности. Результаты, полученные при выполнении проекта, помогут выбрать при проектировании системы радиовидения такие ее параметры (конфигурацию антенной системы, частотный диапазон, геометрию зондирования и пр.), которые обеспечат максимально возможные показатели качества системы при решении конкретной задачи в рамках, определяемых предельной стоимостью системы.

Научная новизна проекта заключается в использовании при моделировании систем радиовидения малого радиуса действия моделей пространственно-протяженных объектов сложной формы, близких к реальным, в отличие в существующего в настоящее время подхода, когда зондируемый объект представляет собой набор точечных рассеивателей. При проектировании систем радиовидения необходимо оперативно перебирать различные варианты построения системы и сравнивать получающиеся радиоизображения между собой для выбора оптимального варианта. Этим и объясняется использование в качестве объекта набора точечных рассеивателей, позволяющих быстро рассчитать рассеянное поле, в то время как на точный численный расчет поля, рассеянного объектом, близким к реальному, может потребоваться несколько часов и даже дней.

Предварительные исследования авторов заявляемого проекта показали, что реальные возможности системы радиовидения по обнаружению и распознаванию объектов могут весьма сильно отличаться в худшую сторону от характеристик, полученных при моделировании с использованием точечных рассеивателей. Поэтому в рамках данного проекта планируется разработать упрощенную модель зондируемого пространственно-протяженного объекта и упрощенные методы моделирования рассеянного им поля, которые ценой некоторой потери точности вычислений позволят производить оперативные расчеты и получать при этом расчетные характеристики системы радиовидения, близкие к реальным.

Аннотация отчета за 2020 год:

Первый этап проекта посвящен феноменологической модели пространственно-протяженных объектов, предназначенной для моделирования систем радиовидения. Разработана двухэтапная процедура получения модели объекта в виде массива плотно расположенных точечных рассеивателей. На первом этапе поверхность реального тела аппроксимируется совокупностью однотипных и пристыкованных друг к другу плоских треугольных элементов — фацетов. На втором этапе для каждого фацета в плоскости его расположения формируется двумерная сетка с достаточно мелким шагом, выбираются узлы сетки, лежащих внутри фацета, и их координаты добавляются в массив точечных рассеивателей, в результате после обработки всех фацетов имеется точечная модель всего объекта.

При таком подходе моделирование радиоголограммы осуществляется следующим образом. Если объект характеризуется его функцией отражения, то есть разные части объекта могут иметь разные коэффициенты отражения, то комплексную амплитуду сигнала, зарегистрированного приемным элементом, расположенным в некоторой точке, при облучении объекта передающим элементом, расположенным в другой точке, можно представить в виде суперпозиции отражений от каждой точки объекта с учетом задержки электромагнитной волны при ее распространении от передающего элемента до этой точки и обратно до приемного элемента, при этом происходит суммирование по всем рассеивателям.

Предложенный подход реализован в виде комплекса алгоритмов, позволяющих по трехмерной модели зондируемого объекта, созданной в Autodesk 3ds Max, рассчитать радиоголограмму этого объекта для заданных параметров системы радиовидения.

Адекватность разработанной модели представления поверхности объектов плотным набором точечных рассеивателей проверена путем сравнения с результатами экспериментов. Для этого радиоголограммы одних и тех же объектов были сначала получены путем моделирования, а потом экспериментально. Результаты моделирования показали хорошее соответствие экспериментальным данным, что подтверждает возможность использования предложенной модели для экспертной оценки различных конфигураций систем радиовидения при их проектировании.

Для автоматической оценки качества получаемых радиоизображений необходимо иметь некоторый критерий, который можно выразить в числовом виде. Предложено использовать в качестве мера качества интеграл от модуля восстановленного радиоизображения, нормированного на максимальное значение, который тем меньше, чем выше качество радиоизображения.

С использованием данного критерия разработана программа для оптимизации расположения передающих и приемных антенных элементов в антенной системе для получения радиоизображений максимально возможного качества при заданном количестве антенных элементов.

Сверх первоначального плана разработан и программно реализован метод калибровки антенно-фидерных трактов системы радиовидения, заключающийся в измерении и компенсации набегов фазы в фидерах, с помощью которых антенные элементы подключаются с передатчику и приемнику.

Аннотация отчета за 2021 год:

На первом этапе проекта была разработана упрощенная модель для расчета радиоголограмм неподвижных жестких пространственно-протяженных объектов. На данном этапе выполнена верификация этой модели путем сравнения с существующими аналитическими решениями для простых тел.

Для объектов сложной формы, для которых аналитических решений не существует, результаты расчета с использованием разработанной модели сравнивались с результатами работы коммерческих программ электродинамического моделирования. При этом были определены границы применимости модели «однократного» рассеяния при зондировании объектов сложной формы. Получено, что для объектов, состоящих из отдельных элементов, пространственно разнесенных в плоскости, параллельной плоскости регистрации радиоголограммы, переотражения сильнее всего влияют на регистрируемую радиоголограмму объекта при расстоянии между элементами, равным примерно 65% от длины волны. В целом для таких объектов степень влияния переотражений невелика, и их при моделировании радиоголограмм можно не учитывать. Для объектов, состоящих из отдельных элементов, пространственно разнесенных в направлении, перпендикулярном плоскости регистрации радиоголограммы, влияние переотражений больше примерно в пять раз по сравнению с предыдущим случаем, наибольшее влияние наблюдается при расстоянии между элементами, равным 30% от длины волны. При таких условиях игнорирование переотражений при моделировании радиоголограмм может привести к некорректным результатам при их восстановлении. При моделировании рассеяния пространственно-протяженными сплошными объектами степень влияния переотражений зависит от формы объекта: если сторона объекта, ориентированная к плоскости регистрации радиоголограммы, является выпуклой, то влияние минимально, а в случае, если она вогнутая, переотражения учитывать необходимо.

Разработана методика моделирования систем радиовидения с инверсным синтезированием апертуры (ИСА). Одним из наиболее интересных приложений ИСА являются развиваемые в настоящее время системы досмотра движущихся людей. Моделирование радиоголограмм для таких систем осложняется тем, что объект досмотра меняет свою форму в процессе регистрации данных — человек не просто линейно перемещается, но также переставляет ноги, размахивает руками и т.д. Для решения этой проблемы в программе 3ds Max, кроме создания модели объекта, моделируется траектория его перемещения, которая дополняется законом изменения формы объекта в процессе движения. Для каждого момента времени осуществляется экспорт текущего положения объекта в файл формата OBJ, который затем используется при расчете радиолокационных данных для этого момента времени, при этом считается, что во время оцифровки данных объект является неподвижным.

Для обеспечения возможности когерентной обработки радиолокационных данных в системе досмотра движущихся людей, в дополнение к радиолокационному, используется дополнительный оптический канал с камерой глубины в качестве регистрирующего устройства. В рамках проекта разработано два метода моделирования данных, получаемых камерой глубины. Первый из них использует известное фацетное представление модели, и в качестве дальности, соответствующей каждому пикселю изображения, берется расстояние вдоль луча, проходящего через фокус камеры и текущий пиксель матрицы камеры, измеряемое от фокуса камеры до фацета, через который проходит данный луч. Этот метод дает абсолютно точные данные о дальности, поэтому его хорошо использовать при отладке алгоритмов совместной обработки радиолокационных и оптических данных. Второй метод для измерения дальности до объекта использует принцип стереозрения. Пара стереоизображений генерируется в программе 3ds Max с помощью двух идентичных камер, разнесенных по горизонтали на небольшое расстояние, как это реализовано в существующих камерах глубины. Этот метод дает близкие к реальности данные, что позволяет исследовать алгоритмы обработки на устойчивость к ошибкам данных канала глубины, возникающих из-за ошибок при нахождении соответствий между стереоизображениями.

Сверх первоначального плана разработан и программно реализован быстрый метод расчета радиоголограмм по упрощенной модели. Метод основан на том, что радиоголограмма плоского объекта может быть вычислена как свертка функции отражения объекта и радиоголограммы точечного объекта, расположенного на том же расстоянии от плоскости регистрации радиоголограммы, что и объект. При этом свертка вычисляется с использованием быстрого преобразования Фурье. Для расчета радиоголограмм пространственно-протяженных (в направлении дальности) объектов точечные отражатели, аппроксимирующие поверхность объекта, проецируются на несколько эквидистантных плоскостей, параллельных плоскости регистрации радиоголограммы. В результате проецирования формируются виртуальные точечные рассеиватели, фаза каждого из которых пропорциональна расстоянию от соответствующего физического рассеивателя до плоскости, на которую он проецируется. Показано, что для обеспечения необходимой точности моделирования шаг расположения плоскостей не должен превышать одной пятой длины волны зондирующего сигнала. При этом быстрый метод обеспечивает примерно 40-кратное увеличение скорости моделирования по сравнению с прямыми расчетами по упрощенной модели.

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

Материал, в научно-популярной форме иллюстрирующий основные результаты проекта, полученные в 2021 году

Публикации по проекту:

  1. Разевиг В.В., Бугаев А.С., Ивашов А.И. Влияние переотражений при моделировании рассеяния электромагнитной волны объектами сложной формы // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. Т. 75. № 9. С. 27–35. DOI: 10.18127/j20700784-202109-02.
  2. Разевиг В.В., Бугаев А.С., Журавлев А.В., Чиж М.А. Калибровка антенно-фидерного тракта систем радиовидения // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. T. 74. № 7. С. 25–37. DOI: 10.18127/j20700784-202007-03.


© RSLab, 1999-2021 Тел.: (499) 263-6509, (495) 632-2219
Моб.: 8-903-687-2291
E-mail: sivashov@rslab.ru