авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Импульсная сверхширокополосная томография леса

На правах рукописи

Клоков Андрей Владимирович

ИМПУЛЬСНАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ

ТОМОГРАФИЯ ЛЕСА

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Томск 2009

2

Работа выполнена в Томском государственном университете

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Якубов Владимир Петрович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, Банах Виктор Арсентьевич, заведующий лабораторией распространения волн Института оптики атмосферы СО РАН, г. Томск Доктор технических наук, Кашкин Валентин Борисович, профессор Политехнического института Сибирского федерального университета, г. Красноярск

Ведущая организация:

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), г. Томск

Защита состоится “ 8 ” октября 2009 г. в 14 час. 30 мин. на заседании специализированного совета Д 212.267.04 по защите диссертаций на соискание учёной степени доктора наук при Томском государственном университете: 634050, Томск, пр.

Ленина, 36, ТГУ, ауд. 119.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 34а.

Автореферат разослан “ 7 ” сентября 2009 г.

Учёный секретарь специализированного совета Пойзнер Б.Н.

Актуальность проблемы Бореальные леса Сибири и Канады более чем на столетия связывают и аккумулируют в себе атмосферный углерод. При современном состоянии технического прогресса сохранение этого природного механизма углеродного цикла очень важно для обеспечения жизни на планете. По масштабу задачи решение проблемы сбережения лесов и рациональное использование лесных ресурсов связано с применением аэрокосмических информационных технологий. Наиболее перспективны радиотехнические системы космического базирования микроволнового диапазона, они всепогодны, обладают высоким разрешением и высокопроизводительны. Но для адекватной оценки состояния лесных массивов необходимо установить однозначное соответствие между результатами аэрокосмических методов измерений параметров лесных массивов, с одной стороны, и наземными, подспутниковыми радиофизическими измерениями, с другой стороны.

Лесные массивы полупрозрачны для электромагнитных излучений только в микроволновой области P L-S-C-Х-KU-диапазонах (0,2318 ГГц), в этой области спектра объём леса даёт значимый (измеряемый) отклик на зондирующее излучение. Импульсы пикосекундной длительности перекрывают весь спектральный диапазон полупрозрачности леса, имеют малый импульсный объём и обладают высоким пространственным разрешением и большой информационной ёмкостью. Метод пикосекундного зондирования допускает определение параметров отдельных деревьев. При этом возможно использование простых малогабаритных ландшафтных радиолокаторов.

Радиотомография совместно с традиционными методами, например, методами аэросъемки, способна существенно продвинуть проблему экологического контроля лесных покровов.

Еще одна немаловажная проекция радиотомографии лесов возникает в связи с требованиями обеспечения безопасности и противодействия терроризму. Уже назрела необходимость разработки эффективных систем обнаружения людей и техники, замаскированных под лесным пологом (в “зеленке”). Использование террористическими группами лесных массивов и растительности в зонах региональных конфликтов создает значительные трудности в обнаружении и обезвреживании незаконных вооруженных формирований. Использование этими группами различных маскировочных средств создает значительные трудности для визуального обнаружения объектов террористических угроз в этих условиях. Использование заградительных и залповых средств подавления не является эффективным, а лишь наносит вред окружающей природе. Негативные последствия применения заградительных мероприятий могут быть даже более значительными, чем результаты действия террористов. Применение средств точечного подавления требует точного определения мест нахождения техники и людей в лесных массивах. Использование волн оптического и инфракрасного диапазонов малоэффективно в силу слабой проникающей способности излучения.

Наибольшее проникновение излучения достигается в радиодиапазоне.

Независимость эффективности применения радиоволновых методов от времени суток, погодных условий, наличия осадков выводит эти методы в число наиболее перспективных для дистанционного обнаружения объектов в лесу. К этой же проблеме примыкает задача обеспечения эффективного поиска потерянных людей и техники в условиях удаленных и малонаселенных лесных районов, например, при авиакатастрофах и стихийных бедствиях. Оперативное решение этой задачи часто связано с жизнеобеспечением.

Все вышесказанное обусловливает актуальность диссертационной работы, в которой приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия импульсного сверхширокополосного (СШП) электромагнитного излучения с лесным массивом в целом и с отдельными элементами древостоя. С практической точки зрения наибольший интерес вызывают следующие взаимосвязанные направления исследований:

1. Измерение и сравнение между собой радиолокационных характеристик одиночного дерева, уголкового отражателя и участка эталонного лиственничного массива с использованием импульсов пикосекундной длительности.



2. Исследование функции ослабления электромагнитных волн лесным массивом в широкой полосе частот в полевых условиях, при известных лесотаксационных характеристиках лесного массива.

3. Восстановление радиотомографического изображения какого-либо конкретного участка леса.

4. Моделирование возможности повышения пространственного разрешения и фокусировки в импульсной радиолокационной томографии с угловым сканированием в зоне дифракции Френеля.

Исследования, результаты которых включены в диссертационную работу, проводились в 2002 – 2007 гг. в рамках:

• Проект МНТЦ № 2059 «Экранирующее влияние растительности в задачах активного и пассивного ДЗ Земных покровов и радиосвязи в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн»;

• Лот ФАНИ РФ по проекту ФЦНТП - госконтракт № 02.438.11.7008 от «19» августа 2005 г. шифр РИ-16/0013, «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно образовательных центров в области технологий безопасности и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок»;

• Экспедиционный проект СО РАН 2004-2006 гг. «Изучение процессов излучения и рассеяния электромагнитных волн СВЧ-диапазона лесными покровами территории Сибири»;

• Комплексный интеграционный проект СО РАН «Аэрокосмическая радиолокация и радиометрия земных покровов»;

• Проект «Разработка методов космической радиолокации и радиометрии территории Сибири» Федеральной целевой программы «Интеграция»

(направление 1.1. «Осуществление совместных фундаментальных и поисковых, прикладных исследований на основе комплексного использования материально технических и кадровых возможностей научных организаций и вузов Российской Федерации»). Госконтракт от 11.09.2002 г. № И0106/1202. 2002 2004 гг.

• Программа «Участник молодежного научно-инновационного конкурса»

(УМНИК), Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно технической сфере, 2009-2010 гг.

Цель работы Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое обоснование возможности использования данных однопозиционной импульсной сверхширокополосной радиолокации с угловым сканированием для проведения томографического картографирования ландшафтного плана леса и обнаружения малоразмерных объектов в нем.

Основные задачи

1. Разработка и испытание действующего макета импульсного СШП радиолокатора для зондирования лесного массива, 2. Проведение полевых экспериментальных исследований эталонного участка леса.

3. Разработка методики и алгоритма обработки временных данных с коррекцией влияния ослабления излучения в лесу.

4. Оценка возможности восстановления радиотомографического изображения участка леса.

5. Разработка алгоритма томографического картографирования эталонного участка леса и сопоставление его с ландшафтным планом местности.

6. Поиск методов повышения пространственного разрешения радиолокационной томограммы за счет синтезирования эффекта фокусировки.

Методы исследования Работа основана на получении и обработке данных реальных экспериментов, проведенных кафедрой радиофизики радиофизического факультета Томского государственного университета совместно с отделом радиоволнового зондирования Института физики КНЦ СО РАН на полигоне «Погорелки» Института леса КНЦ СО РАН (г. Красноярск). Основным инструментом экспериментальных исследований выбран разработанный при участии автора макет импульсного сверхширокополосного локатора.

Эксперименты проводились по схеме однопозиционной активной моностатической радиолокации с угловым сканированием. Использовались импульсы длительностью 150 пс. Для исследования был выбран участок однородных 40-летних посадок лиственничного леса. Для обработки данных были использованы известные методы статистической радиофизики для обработки нестационарных сигналов (теория аналитического сигнала, согласованная фильтрация), методы теории линейных систем (конволюция и деконволюция) и теории решения обратных задач (регуляризация по Тихонову), а также элементы теории антенн и синтезирования больших апертур (фокусировка излучения).

Защищаемые положения:

1. Ослабление амплитуды пикосекундного импульсного сверхширокополосного излучения в лесном массиве, вплоть до расстояний порядка 25-35 м, носит преимущественно экспоненциальный характер изменения с погонным ослаблением порядка 1,1±0,2 дБ/м. Процедура перенормировки устраняет фоновое экспоненциальное ослабление радиолокационных СШП откликов и формирует массив выровненных по дальности многоракурсных волновых проекций структуры леса.

2. Для восстановления томограммы леса по массиву его перенормированных многоракурсных локационных откликов достаточно выполнение согласованной временной фильтрации и угловой деконволюции с использованием в качестве опорного отклика сигнала, полученного при отражении от одиночного рассеивателя (дерева или уголкового отражателя). При использовании уравновешенных импульсов длительностью 150 пс достигаемое пространственное разрешение томограммы определяется величиной порядка 5-30 см.

3. Технология синтезирования большой апертуры на основе эквивалентности углового радиолокационного сканирования и измерений спектра пространственных частот рассеянного поля обеспечивает управляемую апостериорную пространственно-временную фокусировку излучения в локационной томографии распределения рассеивателей.

Достоверность защищаемых положений и других результатов Достоверность всех защищаемых положений обеспечивается согласием полученных теоретических и экспериментальных результатов с фундаментальными положениями теории распространения радиоволн в неоднородных средах.

Первое защищаемое положение подтверждается согласием с известными экспериментальными данными других авторов по распространению радиоволн в условиях леса и лесопарковых зон (Tamir T. – 1977 г.;

Tewari T. – 1990 г.;

Куликов А.Н., Тельпуховский Е.Д. и др. – 1991 г., Магазинникова А.Л., Якубов В.П. и др. – 1999 г.). Так, в работе существенным образом использован экспоненциальный закон ослабления радиоизлучения в лесу, который справедлив на относительно небольших расстояниях. В диссертации этот закон впервые подтверждается результатами СШП измерений с использованием сверхкоротких импульсов.

Правомерность второго защищаемого положения подтверждается результатами сравнения получаемой на основе данных СШП зондирования томограммы с независимыми измерениями ландшафтного плана эталонного участка леса. Отмечается 70 % совпадение результатов.





Справедливость третьего положения подтверждается результатами численного моделирования, основанного на использовании известных положений теории антенн и теории радиолокации, совпадением заданного расположения неоднородностей и восстановленного места локализации поля в результате апостериорной дофокусировки. При этом показано, что поперечное разрешение улучшается не менее чем в 7 раз. Возможность такого улучшения согласуется с потенциальными свойствами метода синтезирования с фокусировкой.

Научная новизна 1. Впервые экспериментально установлен экспоненциальный закон ослабления сверхкороткоимпульсного излучения в лесной среде.

2. Впервые разработана методика получения томографического изображения участка эталонного лесного массива на основе локационных данных.

3. Впервые детально проработана и апробирована методика повышения точности нахождения местоположения объектов в эталонном лесу с использованием согласованной фильтрации и операции обратной свертки (деконволюции).

4. Разработана технология компьютерной обработки радиолокационных изображений с апостериорной фокусировкой излучения.

5. Разработан действующий макет радиолокатора для пикосекундного СШП зондирования лесных массивов.

6. Предложен алгоритм оценки диаграммы направленности системы импульсного СШП зондирования по максимуму огибающей восстанавливаемого аналитического сигнала.

7. Для решения задач исследования леса впервые детально проработана методика калибровки радиолокационного отклика леса на СШП сигнал.

Научная ценность защищаемых положений и других результатов Предложенный метод измерения усредненного погонного ослабления лесом импульсного излучения из одной точки не требует опорных отражателей.

Для случая импульсного СШП радиоизлучения продемонстрирована возможность описания эффекта ослабления радиоволн в конкретном лесном массиве как для непрерывной среды с эффективным комплексным показателем преломления на средней частоте в спектре.

Показана возможность проведения локационной томографии леса в условиях взаимных затенений рассеивателей – деревьев;

Разработан метод оценки направленных свойств и аппаратной функции импульсного СШП радара, не чувствительный к вариациям заполнения импульса.

Показана возможность апостериорного повышения поперечного разрешения (не менее чем в 7 раз) радиолокационных изображений за счет использования управляемой дофокусировки импульсного СШП излучения в пределах зоны дифракции Френеля.

Практическая значимость Предложен и реализован действующий макет импульсного СШП радиолокатора для исследования леса. Дальнейшая разработка позволит довести его до практического использования в природопользовании и системах антитеррора.

Разработан алгоритм измерения усредненного коэффициента погонного ослабления импульсного излучения по данным многоракурсных наблюдений без использования трудоемких многочастотных измерений и без перемещения по дальности эталонных отражателей.

Разработан трехэтапный алгоритм томографического восстановления ландшафтного плана леса по однопозиционным СШП локационным наблюдениям с угловым сканированием;

при этом обеспечиваемая степень совпадения положения рассеивателей и деревьев ландшафтного плана - не менее 70 %.

Предложен алгоритм компьютерной обработки радиолокационных изображений, который позволяет производить управляемую апостериорную дофокусировку излучения на основе однопозиционных угловых измерений и на этой основе в несколько раз увеличить поперечное разрешение СШП импульсной томографии распределенных неоднородностей.

Внедрение результатов диссертации и рекомендации по дальнейшему использованию Все результаты диссертации использованы при реализации проектов, указанных в разделе “Актуальность” и включены в отчеты по НИР. Результаты по измерению ослабления импульсного излучения в лесу использованы для взаимной проверки многочастотных измерений в диссертационной работе С.Н.

Новика, защищенной в 2007 г. Кроме того, результаты работы использованы в учебном процессе при постановке и выполнении курсовых работ по исследованию взаимодействия радиоволн с лесным пологом на РФФ ТГУ.

Простота и эффективность метода восстановления томограмм, полученного в процессе работы, позволяют широко использовать его в научных и учебных целях, например, в Томском государственном университете, Институте физики Красноярского научного центра СО РАН, Бурятском научном центре СО РАН.

Апробация результатов Результаты диссертационной работы, основные положения работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Региональной научно-технической Школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники СПР 2003» (Новосибирск, 2003 г.);

VI Региональной Школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2005 г.);

Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 110-й годовщине Дня радио (Красноярск 2005 г.);

VII Международной Школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития»

(Томск, 2005 г.);

1-ой, 2-ой конференциях студенческого научно исследовательского инкубатора (Томск, 2005, 2006 гг.);

Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии.

Инновации» (Новосибирск, 2005 г.);

Федеральной школе – конференции по инновационному малому предпринимательству в приоритетных направлениях науки и высоких технологий (Москва, 2006 г.);

Второй Всероссийской научной конференции-семинаре «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2006 г.);

XIII International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (Tomsk, 2006);

Второй международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики АПР 2008» (Томск, 2008 г).

Личный вклад автора Совместно с научным руководителем работы д.ф.-м.н. профессором, В.П. Якубовым был определён план диссертационной работы, обсуждались и анализировались результаты исследований. Диссертационная работа планировалась и реально выполнялась как часть комплексных исследований по вопросам распространения радиоволн в лесных массивах, которые проводились кафедрой радиофизики ТГУ совместно с Институтом физики и Институтом леса Красноярского научного центра СО РАН. Являясь одним из исполнителей, автор диссертации принимал непосредственное деятельное участие во всех представленных в работе экспериментах. Автором разработано программное обеспечение для проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных. Большую помощь в организации проведения и финансировании работ оказал чл.-корр. РАН, заведующий лаборатории радиофизики дистанционного зондирования Института физики им. А.В. Киренского СО РАН профессор В.Л.

Миронов. Значительную практическую помощь в организации экспериментальных работ и проведении научных экспедиций оказал д.т.н. Е.Д.

Тельпуховский. Постоянное обсуждение с ними состояния исследований способствовало успешному завершению работ. Ключевым элементом конструкции макета радара стала СШП антенна-облучатель, разработанная доцентом Ю.И. Буяновым. Практическую помощь в изготовлении и настройке аппаратуры оказали инженеры кафедры радиофизики Г.М. Цепелев, В.В.

Ручкин, В.Н. Падусенко. Большую помощь в проведении экспериментальных и теоретических исследований сыграли сотрудники руководимого автором диссертации студенческого научного инкубатора: С.Н. Новик, Н.А. Моисеенко, О.В. Якубова. Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем упомянутым выше лицам и организациям, а также всему профессорско преподавательскому составу кафедры радиофизики за поддержку и помощь в выполнении работы.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 18 работ в том числе: 6 статей в журналах, рекомендованных ВАКом, 12 тезисов докладов на международных (5), всероссийских (8) и региональных (3) научных конференциях.

Структура и объём работы Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. В работе содержится 107 листов машинописного текста, 45 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 83 наименований.

Краткое содержание диссертации рассмотрена актуальность темы диссертации, Во введении сформулирована цель работы и задачи исследования, приведены защищаемые положения, показана научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов, личный вклад, кратко изложено содержание работы.

В первой главе приводятся основные типы томографии, методы решения обратной задачи, сопоставляются оптические и радиолокационные изображения. Проведён аналитический обзор существующих работ по томографии лесов.

Во второй главе представлена структурная схема макета импульсного локатора, изображенная на рисунке 1.

Передающая антенна представляет собой параболоид диаметром 1,6 м. В качестве облучателя исследовались комбинированные антенны.

Комбинированные антенны представляют собой конструктивное объединение электрического и магнитного облучателя.

Приемник представляет собой модернизированный прецизионный стробоскопический осциллограф С9-9 с цифровым управлением, обладающий широкими функциональными и вычислительными возможностями, обеспечивающий двухстороннюю связь с ЭВМ в диалоговом режиме. Основные параметры осциллографа приведены в таблице 1. Принцип действия осциллографа состоит в стробоскопическом преобразовании исследуемого сигнала в его НЧ - аналог с последующим преобразованием его в цифровые двоичные коды, записываемые в ОЗУ.

Таблица 1 – Основные параметры осциллографа С9- Полоса пропускания 0 - 18 ГГц Коэффициент отклонения 5 - 200 мВ/дел Коэффициент развертки 10 пс/дел - 10 мкс/дел погрешность измерений Амплитудных параметров 1,5 - 3% Временных интервалов 2 - 4% Рисунок 1 – Структурная схема макета импульсного локатора Блок управления представляет собой кварцевый генератор и программируемую матрицу, имеет один вход, соединяющийся с параллельным портом компьютера и три выхода для подключения к приемнику, формирователю и мастер-импульс. Мастер-импульс – это прямоугольный импульс с фронтом не хуже 0,5 нс на нагрузке 50 Ом. Импульс формирователя (ИФ) имеет аналогичные параметры и используется для запуска сменных формирователей СШП импульсов. Синхроимпульс приёмника с аналогичными параметрами служит для запуска развертки стробоскопического осциллографа.

Канал синхроимпульса имеет схему дискретной задержки с шагом 10 нс и позволяет отстраивать ИФ на 128 шагов от 0 до 1280 нс относительно мастер импульса. Точность перестройки задержки определяется стабильностью кварцевого генератора. Один шаг перестройки линии задержки соответствует 1,5 м смещения момента включения приёмника вдоль трассы относительно передатчика.

В качестве ключевого момента, позволяющего достигнуть эффективного решения в задаче томографического обзора лесных массивов, выступает использование СШП излучения. С учётом опыта лабораторных и полевых исследований 2002-2003 гг. для радиотомографических исследований лесных массивов был разработан и испытан формирователь импульсов с пикосекундным фронтом. Временной и спектральный профили возбуждающего импульса показаны на рисунках 2 и 3, соответственно. Данные по параметрам сигнала приведены в таблице 2.

Рисунок 2 – Временной профиль Рисунок 3 – Спектральный профиль возбуждающего импульса возбуждающего импульса Таблица 2 – Параметры возбуждающего импульса Амплитуда U, В Частота повторения Fп, МГц Длительность импульса и, пс Длительность фронта ф, пс Длительность спада с, пс ± Нестабильность фронта ф, пс В настоящее время при разработке систем СШП зондирования актуальным стоит вопрос об определении диаграммы направленности (ДН) антенной системы. В отличие от узкополосных систем это понятие не является однозначным. В работе предлагается алгоритм оценки ДН по максимуму огибающей восстанавливаемого аналитического сигнала при каждом угловом сканировании. Аналитический сигнал определяется как комплексный сигнал:

z (t ) = x(t ) + iy (t ), x(t ), вещественная часть которого отождествляется с измеряемым импульсом а мнимая часть находится в результате применения интегрального преобразования Гильберта:

x()d.

y (t ) = Vp t Интеграл понимается в смысле главного значения по Коши.

Огибающая принятого сигнала находится как модуль комплексного сигнала при каждом временном отсчете. На рисунке 4 представлен пример такой обработки реального СШП импульсного сигнала наносекундной длительности. Стрелкой отмечено положение максимума, по которому и определяется ДН при различных углах визирования. Видно, что положение максимума не совпадает ни с одним из всплесков импульса и очень устойчиво к вариациям заполнения импульса. Предложенный метод был использован для оценки ДН антенной системы СШП импульсного радара в азимутальной плоскости, рисунок 5.

Рисунок 4 – Импульсный СШП сигнал (1) и его Рисунок 5 – Диаграмма направленности СШП огибающая (2) радара в азимутальной плоскости (1) и аппроксимационная кривая (2) Величина ширины ДН по уровню половинной мощности оценивается как 5o.

В третьей главе приводится лесотаксационная модель исследуемого участка леса, обосновывается применение модели однократного рассеяния, приводятся экспериментальные данные по зондированию одиночной лиственницы, а также уголкового отражателя в лесном массиве.

Лесотаксационная модель представляет собой лесной полог с равномерно расположенными по всей площади “типичными” деревьями, высота и диаметр которых равны средним значениям тех же измеренных параметров реального древостоя: высота h = 14.2 м и диаметр d = 0.115 м.

Для работы с макетом импульсного томографа разработана программа на языке LabVIEW. Блок-схема представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Блок-схема программы для работы с томографом Для проверки, тестирования и калибровки использовались: импульс формирователя, аттенюатор и линии задержки, а также уголковые отражатели (УО) на фиксированных расстояних (3, 5, 10 м) от локатора.

Перед проведением зондирования лесного массива в целом, исследованы основные закономерности рассеянного сигнала от одиночного дерева. На луговой части полигона была выбрана одиночная сорокалетняя лиственница из эталонного бора. На расстоянии 0,5 м по дальности от неё в качестве контрольной цели был установлен уголковый отражатель, со стороной квадратной грани 30 см. На рисунках 6 и 7 показан радиолокационный отклик и внешний вид двух указанных целей.

Рисунок 6 – Радиолокационный отклик одиночного Рисунок 7 – Внешний вид расположения дерева на фоне уголкового отражателя отражателей Рассеянный сигнал от одиночной лиственницы и уголкового отражателя имеют простую форму, хорошо локализованы в пространстве (около 45 см. и см. соответственно), что позволяет применить модель сосредоточенных целей (деревьев) в относительно плотном лесном массиве.

Проведен эксперимент по определению максимальной дальности, на которой можно четко распознать УО с ребром 1 м. Результат эксперимента приведен на рисунке 8, где представлена огибающая аналитического сигнала радарного отклика леса.

Рисунок 8 – Огибающая аналитического сигнала Рисунок 9 – Уголковые отражатели в радарного отклика леса тестовом эксперименте Первый всплеск соответствует уголковому отражателю с размером ребра 0,3 м, находящемся на расстоянии 3 м;

второй – УО с размером ребра 1 м, находящейся на расстоянии 48 м;

третий – сигнал от вертикальной трубы;

четвертый – сигнал от подсобного сооружения (рисунок 9). Проведенная калибровка подтвердила полную работоспособность установки.

При изучении закономерностей рассеяния СШП импульсов от УО в лесном массиве антенная система имела угол сканирования: ±100 в азимутальной плоскости и 600 по углу места. На расстоянии 17,5 м от облучающей апертуры устанавливался уголковый отражатель с размером прямоугольной грани 0,09 м2. На этом расстоянии в выбранном секторе лесного массива не было деревьев ближе полуметра до УО. На рисунке 10 приведены временные профили сигналов от уголкового отражателя при сканировании антенной системы в секторе ±20 в азимутальной плоскости, на горизонтальной трассе.

В ходе натурных экспериментов в бору установлено, что пространственное разрешение вдоль трассы около 5 см.

соответствует предельной оценке для длительности зондирующего импульса по половинной мощности соответствующего аналитического сигнала = 0,15 нс. Сигнал рассеянный УО в лесном массиве не имеет качественных особенностей по сравнению с измерениями на открытой местности ( рисунки 6 и 10 ), следовательно: при сканировании вклад впереди и близко стоящих деревьев на Рисунок 10 – Совмещенные по минимуму сигнал УО имеет второй или более временные профили сигналов от уголкового отражателя высокий порядок малости, таким образом, допустимо применение приближения однократного рассеяния.

Полученные экспериментальные данные находятся в согласии с расчётными оценками, данными модельных экспериментов в безэховой камере и с экспериментами на луговой части полигона.

В четвертой главе приводятся экспериментальные данные по ослаблению СШП излучения, алгоритм построения томографического изображения участка эталонного лиственничного бора, а также предложена процедура повышения пространственного разрешения томограммы.

Томографическое изображение снималось при сканировании по азимуту в диапазоне ±100 и углу места 00 с шагом 20. При построении томограммы в начале производилось накопление данных с различных участков исследуемого леса для увеличения соотношения сигнал/шум. На каждом градусе по азимуту имелось шесть частей трассы, которые впоследствии были соединены в одну трассу (рисунок 11). Она представляла собой полную временную развертку измеряемой трассы. По 11 ракурсам восстанавливался сигнал сечения.

Рисунок – 11. Радиолокационный отклик леса на СШП сигнал При томографии леса необходимо учитывать, что лес одновременно является и объектом зондирования и средой распространения излучения. В первом приближении можно считать, что рассеяние волн происходит на отдельных неоднородностях леса (стволах, ветках, листьях и иголках), но до них и от них излучение идет сквозь всю толщу лесного полога, испытывая фоновое ослабление. Это означает, что амплитуда отраженных сигналов будет экспоненциально убывать с расстоянием до точки рассеяния. Для оценки экспоненциального ослабления наиболее удобно использовать огибающую амплитуды аналитического сигнала. На рисунке 12 показана экспериментальная зависимость ослабления амплитуды аналитического сигнала, соответствующего усредненному по азимуту радарному отклику. Наклонная пунктирная прямая построена по методу наименьших квадратов в предположении экспоненциального ослабления сигналов при распространении в лесной среде.

На существование такого ослабления по крайней мере на небольших расстояниях (до 35 м) указывают результаты предшествующих исследований, выполненных на отдельных монохроматических частотах. Такое ослабление получается в предположении, что среда распространения удовлетворительно описывается как сплошная среда с комплексным показателем преломления n = n + i n. В этом случае комплексная амплитуда монохроматического сигнала на частоте f = k c ( 2 ) ослабляется с расстоянием d по закону E = E0 exp {k d Im ( n )} = E0 exp {k d n}.

Погонное ослабление, выраженное в децибелах (дБ/м), при этом определяется как = 20 k n lg e.

Найденное по методу наименьших квадратов значение, если под амплитудой понимать модуль соответствующего аналитического сигнала, для импульсного СШП излучения значение оказывается равным =1,1±0,2 дБ/м.

Отсюда следует первая операция в восстановлении томограммы леса – выравнивание многоракурсных радарных данных путем их перенормировки с учетом найденной усредненной зависимости (рисунок 13 а и 13 б). Видно, что отражения, относящиеся к удаленным рассеивателям, выровнялись с отражениями от близко расположенных рассеивателей. Близко расположенные объекты перестали «забивать» удаленные объекты – деревья на заднем плане.

Рисунок 12 – Экспоненциальное ослабление амплитуды СШП сигнала в лесу Для сравнения полученных результатов с другими известными данными для монохроматического излучения приведен рисунок 14, взятый из кандидатской диссертации С.Н. Новика (построенный для того же исследуемого участка эталонного леса), где пунктирной кривой проведена усредненная аппроксимационная зависимость, взятая из обзора [Chukhlantsev A. A., Shutko A. M., and Golovachev S. P. Attenuation of Electromagnetic Waves by Vegetation Canopies in the 100 – 10000 MHz Frequency Band] для различных типов лесов.

Указанная зависимость в области частот от 100 МГц до 10 ГГц описывается формулой:

= a f 0.8, (1) где a = 8 104 м МГц 0.8 дБ 1 – размерный регрессионный коэффициент.

Рисунок 13 а – Локационный отклик леса до Рисунок 13 б – Локационный отклик леса после нормировки нормировки Рисунок 14 – Спектральная зависимость погонного ослабления горизонтально (1), вертикально (2) и кросс (3) поляризованного излучения Для использования оценки погонного ослабления, определяемого формулой (1), может быть взята средняя частота f зондирующего импульса, рассчитанная по формуле:

f = f W ( f )df f – частота. Эта где W ( f ) – нормированный энергетический спектр импульса, нормировка предполагает, что:

W ( f )df = 1.

В нашем случае оказывается, что f = 7,1 ГГц, тогда ослабление по формуле (1) получается = 1,0 дБ/м. Эта оценка близка к найденной нами из экспериментальных данных.

Радиолокационная панорама леса после перенормировки может быть интерпретирована как первичное томографическое изображение леса.

Вторая операция состоит в сжатии радарного отклика по времени (дальности). Операция сжатия радарного отклика по времени достаточно традиционна и осуществляется с использованием согласованной фильтрации:

,, it A() = A(t )e dt it R(t ) = A() B ()e d *, 1 it B(t )e dt B() = где A() – радиолокационный отклик леса на СШП сигнал в спектральной области, B () – радиолокационный отклик отдельной цели (дерева) на СШП сигнал в спектральной области, R (t ) – фильтрованный радарный отклик леса на СШП сигнал.

В результате максимально увеличивается отношение сигнал-шум: вклады отдельных неоднородностей становятся более локализованными, а шумы усредняются.

Третья операция менее традиционна – это деконволюция (обратная свертка), т.е. операция снятия размытия изображения по азимуту за счет конечности ДН антенны радара. Деконволюция осуществляется с использованием винеровской фильтрации с регуляризацией:

R( p )G * ( p ) ip,, 1 ip G ( p)G* ( p) + e dp X () = R( p) = R()e d, 1 ip G ( ) e d G( p) = где X () – обратная свертка, R ( p ) – радиолокационный отклик леса на СШП сигнал в области пространственных частот, G () – функция, описывающая ДН антенны, – параметр регуляризации. Все это осуществляется на каждой из временных частот f. Далее идет возврат в область времени.

Результат согласованной фильтрации и операции деконволюции показан на рисунке 15 б. Для сравнения приведен результат интерполяции угловых сечений томографического изображения леса без фильтрации (рисунок 15 а).

Эта картина содержит множество неоднородностей, большое число из которых совпадает с положением деревьев в лесу. Это хорошо видно на рисунке 16, где ландшафтный план и радиотомограмма леса совмещены.

Рисунок 15 – Томографическое изображение участка леса до корреляционной обработки (a) и после обработки (b) На приведенной томограмме результаты восстановления распределения неоднородностей показаны в виде градаций серого цвета. Окружностями обозначено местоположение деревьев на независимо снятом ландшафтном плане исследуемого участка леса. Как видно из приведенных данных, отмечается хорошее согласие полученных результатов с ландшафтным планом вплоть до положения отдельных деревьев. Это согласие получается приблизительно в 70 % случаев. Видно, что кроме выделенных деревьев наблюдаются некоторые дополнительные неоднородности, которые, по видимому, связаны с крупными ветками лесного полога.

Рисунок 16 – Томограмма и ландшафтный план леса Дальнейшее повышение пространственного разрешения может быть сделано, если учесть возможность перехода от многоракурсных угловых измерений распределения локационного отклика леса к эквивалентному спектру пространственных частот. С помощью преобразования Фурье этот спектр однозначно связан с пространственным распределением поля в некоторой эквивалентной поперечной апертуре рисунок 17. Восстановив так пространственное распределение поля, можно далее воспользоваться технологией синтезирования большой апертуры и сфокусировать зарегистрированное поле на любые заданные дальность и угловое положение.

Если в точке фокусировки присутствует реальная неоднородность, то отклик будет тем заметнее, чем больше неоднородность. Изменяя положение точки фокусировки, можно просканировать все зондируемое пространство и таким образом получить томограмму неоднородной среды, в нашем случае, леса, рисунок 18. Разумеется, предлагаемая процедура будет работать лишь в пределах зоны дифракции Френеля.

Рисунок 17 – Восстановление Рисунок 18 – Синтезирование и фокусировка пространственного распределения поля по излучения на заданное расстояние эквивалентной апертуре С целью проверки работоспособности предлагаемого подхода была смоделирована сканирующая система с шириной диаграммы направленности порядка 40 в азимутальной плоскости (рисунок 19). Угловой обзор проводился в диапазоне (-900,+900) в предположении наличия одного рассеевателя в точке х=5 м и y=6 м. Полученный угловой спектр был пересчитан в спектр пространственных частот и далее в эквивалентное распределение поля по апертуре. К полученному эквивалентному распределению поля была применена процедура фокусировки. Достигнутая при этом концентрация поля вблизи точки фокусировки показана в виде градаций серого цвета на рисунке 20.

Рисунок 19 – Диаграмма направленности по Рисунок 20 – Распределение поля вблизи точки мощности фокусировки Видно, что наилучшая концентрация (отмечена стрелками) реализуется в точке расположения рассеевателя. Её размер оценивается как 0,5 м, в то время как ширина энергетического спектра, пересчитанная к этому расстоянию, равна 3,7 м. Таким образом, область локализации благодаря эффекту фокусировки улучшилась приблизительно в 7 раз.

В случае использования импульсного излучения и процедуры согласованной фильтрации можно получить 2D томограмму, т.е.

пространственное распределение неоднородностей в плоскости зондирования.

На рисунке 21 показан пример восстановления томограммы 3-х рассеивателей с использованием описанной процедуры для импульса длительностью 100 пс.

Рисунок 21 – Томограмма 3-х неднородностей с использованием импульсного излучения В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы.

Основные результаты и выводы Проведен анализ состояния экспериментальных исследований лесных массивов с использованием радиоволн УКВ диапазона, для которых лесная среда полупрозрачна. Установлена наибольшая перспективность использования метода импульсной СШП томографии.

При непосредственном участии автора разработан, изготовлен и испытан действующий макет СШП радара, использующий направленные импульсы пикосекундной длительности. Детально исследованы временные и пространственные характеристики используемого излучения.

Показано, что импульсное излучение может быть успешно использовано для измерения погонного ослабления радиоволн с расстоянием в лесу.

Разработан алгоритм его оценки на основе использования теории аналитического сигнала и усреднения по множеству угловых ракурсов. По данным радиолокационного многоракурсного зондирования ослабление амплитуды пикосекундного импульсного излучения в лесном массиве, вплоть до расстояний порядка 25-35 м, носит преимущественно экспоненциальный характер изменения с погонным ослаблением порядка 1,1±0,2 дБ/м. Это согласуется с данными спектральных измерений других авторов.

Установлено, что многоракурсные измерения могут быть использованы для перенормировки радиолокационных откликов и выравнивания угловых измерений по дальности. Это служит, в том числе, устранению влияния взаимных затенений и первичной подготовки данных в цепочке томографической обработки экспериментальных данных. С точки зрения теории распространения радиоволн это говорит в пользу применимости для леса эффективного комплексного показателя преломления как для сплошной среды.

Показано, что использование метода согласованной фильтрации приводит к повышению контрастности импульсных радиолокационных откликов во временной области и это важно для повышения разрешения по дальности в условиях шумов и мешающих отражений. Эта операция является второй в последовательности операций в алгоритме получения томограммы леса. Реально достигаемое разрешение в продольном направлении с импульсным излучением 150 пс длительности оценивается как 5 см.

На основе анализа многоракурсных измерений с уголковым отражателем и одиночным деревом проведена оценка направленных свойств макета СШП радара и разработана новая методика оценки диаграммы направленности с использованием нестационарного импульсного излучения и теории аналитического сигнала. Предложен алгоритм оценки диаграммы направленности системы импульсного СШП зондирования по максимуму огибающей восстанавливаемого аналитического сигнала при каждом угловом сканировании. Предложенный метод был использован для оценки ДН антенной системы СШП импульсного радара в азимутальной плоскости. Величина ширины ДН по уровню половинной мощности оценивается как 5°.

Исследованы закономерности рассеяния пикосекундного импульса с уголковым отражателем на лугу, с одиночным деревом на лугу и с уголковым отражателем в лесу. Сигнал рассеянный УО в лесном массиве не имеет качественных особенностей по сравнению с измерениями на открытой местности, следовательно: при сканировании вклад впереди и близко стоящих деревьев на сигнал УО имеет второй порядок малости и допустимо применение приближения однократного рассеяния.

Показано, что использование операции деконволюции (обратной свертки) с использованием усредненной ДН радара позволяет повысить пространственное разрешение неоднородностей в поперечном направлении до 30 см. Эта операция является третьей, заключительной, в последовательности действий для получении томограммы леса.

Путем сравнения полученной радиоволновой томограммы и ландшафтного плана эталонного участка леса показано удовлетворительное (до 70 %) взаимное согласие, что указывает на потенциальную применимость предлагаемого метода для картографирования структуры лесов и малорамерных объектов в нем.

На основе численного эксперимента показан путь для дальнейшего повышение пространственного разрешения, если учесть возможность перехода от многоракурсных угловых измерений распределения локационного отклика леса к эквивалентному спектру пространственных частот. С помощью преобразования Фурье этот спектр однозначно связан с пространственным распределением поля в некоторой эквивалентной поперечной апертуре.

Восстановив так пространственное распределение поля, можно далее воспользоваться технологией синтезирования большой апертуры и сфокусировать зарегистрированное поле на любые заданные дальность и угловое положение, разумеется, там, где это возможно – в пределах зоны дифракции Френеля. Разработана технология компьютерной обработки радиолокационных изображений, которая позволяет производить управляемую, апостериорную дофокусировку излучения на основе однопозиционных угловых измерений и на этой основе в несколько раз (~7 раз) увеличить поперечное разрешение СШП импульсной томографии распределенных неоднородностей.

Публикации автора по теме диссертации Клоков А.В., Якубов В.П. Импульсная сверхширокополосная 1.

радиотомография леса // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2005.– № 6. – С. 121–122.

2. Новик С.Н., Клоков А.В. Корреляционные свойства амплитуды электромагнитного поля в лесном пологе // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2006.– № 3.– С. 127–128.

3. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Цепелев Г.М., Белов В.В., Клоков А.В., Моисеенко Н.А., Новик С.Н., Суханов Д.Я, Якубова О.В. Радиоволновая томография неоднородных сред // Известия высших учебных заведений.

Физика.– 2006.– Том 49.– №9.– С. 20–24.

4. Клоков А.В., Новик С.Н. Пространственно-временные свойства импульсной характеристики леса // Известия высших учебных заведений. Физика.– 2006.– № 3.– С. 125–126.

5. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Цепелёв Г.М., Клоков А.В., Моисеенко Н.А., Новик С.Н., Суханов Д.Я., Якубова О.В.. Радиолокационная томография // Оптика атмосферы и океана. – 2006.– № 12.– C. 1081– 6. Клоков А.В., Якубов В.П. Однопозиционная активная радиолокация леса // Известия высших учебных заведений Физика. – 2008.– № 9/2.– С. 39–41.

7. Клоков А.В., Якубов В.П. Диаграмма направленности сверхширокополосного импульсного радара // Региональная научно техническая Школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых “Современные проблемы радиотехники”: труды. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – С. 29 – 31.

8. Иванов А.В., Клоков А.В., Якубов В.П. MatLab неограниченные возможности физика // Учебно-методическое пособие.– Томск: Изд-во Том.

гос. ун-та, 2004. –41 c.

9. Якубов В.П., Клоков А.В., Новик С.Н., Моисеенко Н.А., Якубова О.В.

Импульсная радиоволновая томография лесов // Труды 1-й конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора / Под. ред. В.В.

Демина. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005.– С. 61–72.

10. Новик С.Н., Клоков А.В., Якубова О.В., Моисеенко Н.А. Радиоволновое зондирование леса // Труды 2-ой конференции студенческого научно исследовательского инкубатора / Под. ред. В.В. Демина. – Томск: Изд-во НТЛ, 2005.– С. 40–47.

11. Клоков А.В., Якубов В.П. Радиоволновая томография леса // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. / Под. ред. А.И. Громыко, А.В.

Сарафанова;

Отв. за вып. В.И. Ризуненко. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005.– С. 645–647.

12. Клоков А.В. Томографическая обработка данных радарного зондирования леса // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученных «Наука. Технологии. Инновации» – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.– Ч.

1.– С. 231–233.

13. Клоков А.В., Якубов В.П. Импульсная сверхширокополосная томография леса // Сборник тезисов Третьей всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»

Москва, ИКИ РАН, 14-17 ноября 2005 г. С. 212.

14. Клоков А.В., Новик С.Н. Радиолокационная томография скрытых объектов в лесу // Тезисы докладов Федеральной школы-конференции по инновационному малому предпринимательству в приоритетных направлениях науки и высоких технологий. – М: РГУИТП, 2006.– С 72–76.

15. Yakubov V.P.,Telpukhovsky E.D., Tsepelev G.M., Klokov A.V., Moiseenko N.A., Novik S.N., Sukhanov D.Ya., Yakubova O.V. Radar Tomography // XIII International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics», July 2-6, 2006. Abstracts. – Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2006. – pp.65-66.

16. Yakubov V.P., Telpukhovsky E.D., Tsepelev G.M., Klokov A.V., Moiseenko N.A., Novik S.N., Sukhanov D.Ya., Yakubova O.V. Radar Tomography // Proc.

of SPIE, 2006.– Vol. 6522. – pp. 65220E-1–65220E-7.

17. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Цепелёв Г.М., Клоков А.В., Моисеенко Н.А., Новик С.Н., Якубова О.В. Сверхширокополосная радиотомография леса // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике:

сб. докладов Второй Всероссийской научной конференции-семинара.

Муром, 4-7 июля 2006 г. / Муромский институт Владим. гос. ун-та.– Муром: Изд-во полиграфический центр МИ ВлГУ, 2006. – С. 215–219.

18. Клоков А.В., Новик С.Н., Якубова О.В., Моисеенко Н.А. Импульсная сверхширокополосная томография леса // Труды 3-й и 4-й конференций студенческого научно-исследовательского инкубатора / Под. ред. В.В.

Демина. – Томск: Томский государственный университет, 2007.– С. 20 – 27.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.