Применение анализа радиоголографических и радиотомографических изображений для дистанционного обнаружения скрытых предметов

Во введении приводится краткая характеристика диссертационной работы: актуальность выбранной темы, объект, цель, задачи, методы и предмет исследования, научные положения, обоснование достоверности истинности полученных положений и результатов, их научной и прикладной значимости.
В первой главе изложены основные физические модели распространения электромагнитных волн, рассматриваемые в диссертации. Изучены основные физические процессы, которые необходимо принимать во внимание, при решении задач радиоголографии и радиотомографии: распространение радиоволн в однородной среде, теория однократного рассеяния, основные методы зондирования среды (локационная схема зондирования, трансмиссионная схема зондирования, зондирование с использованием радара с синтезированной апертурой (РСА)). Рассмотрены методы, используемые при обработке результатов измерений рассеянного поля на неоднородностях и поля прошедшего через объект. Обработка рассеянного поля осуществлялась методами преобразования Фурье и быстрого преобразования Фурье (БПФ), а прошедшего через объект поля – последовательным применением преобразования Фурье и метода обратных Радоновских проекций. Дан краткий обзор радиоголографических и томографических методах исследования, и сделаны выводы. Были представлены используемые методы измерения диэлектрической проницаемости и заранее подготовленный набор диэлектрических материалов, диэлектрическая проницаемость которых измерялась заранее этими методами. Основными диэлектрическими материалами были выбраны
воск и поливинилхлорид (ПВХ), как вещества, диэлектрическая проницаемость которых близка к реальным взрывчатым веществам.
Во второй главе представлен разработанный метод построения радиоголографического изображения человека на основе решения обратной задачи дифракции в приближении однократного рассеяния. Построение СВЧ изображения объекта осуществляется пространственной локализацией точек его поверхности, определяемых амплитудным анализом трехмерного облака точек, получаемого преобразованием Фурье (1), вдоль выбранного направления:
где P(x,y,z) – амплитуда восстановленного поля в точке (x,y,z), P(x’,y’,0) – измеряемая комплексная амплитуда сигнала в известной точке пространства, Nf – количество используемых частот, Nt – количество передающих элементов, Rrt – суммарное расстояние от передающего элемента t до точки восстановления и от точки восстановления до приемного элемента.
При решении задачи восстановления было выбрано расположение приемо-передающих элементов, изображенное на рисунке 1. Данное расположение обеспечивает равномерное облучение человека в исследуемой области (рис. 1).
Рисунок 1. Схема движения человека относительно экспериментальной установки в избранной системе координат. 1 – исследуемый человек, 2 – РСА (в экспериментальной системе АМУ256 РСА состоял из 256 передающих элементов) , 3 – приемные антенны, 4 – исследуемая область.
Результаты численного моделирования процесса восстановления трехмерного облака точек, условно соответствующего габаритам человека, выявили существенные ограничения при численном решении данной задачи
в режиме реального времени, выражающейся в высокой вычислительной емкости задачи восстановления СВЧ поля с использованием преобразования Фурье.
Для повышения быстродействия восстановление радиоголографического изображения человека было предложено использовать метод БПФ (2):
где P(x,y,z) – амплитуда восстановленного поля в точке (x,y,z), P(x’,y’,0) – измеряемая комплексная амплитуда сигнала в известной точке пространства, P’(x,y,z0) – амплитуда в базисной плоскости расчета, Nf – количество используемых частот, Nt – количество передающих элементов, Rrt – суммарное расстояние от передающего элемента t до точки восстановления и от точки восстановления до приемного элемента.
Было показано, что качество получаемого изображения человека методом БПФ идентично в рамках решаемой задачи идентификации, как и методом преобразования Фурье (рис. 2 и 3).
Рисунок 2. Радиоголографическое изображение человека, восстановленное с использованием преобразования Фурье
Рисунок 3. Радиоголографическое изображение человека, восстановленное с использованием БПФ
Экспериментальные результаты показали, что восстановление методом преобразования Фурье может уступать в быстродействии методу БПФ при расчете идентичных радиоголографических изображений на идентичных вычислительных системах в несколько раз (результаты существенно зависят от количества восстанавливаемых точек в облаке).
На основании расчетов по методу БПФ было установлено, что использование поддиапазона СВЧ 10-18 ГГц дает большую производительность расчетов, чем поддиапазон 60-66 ГГц, используемый в настоящее время в подобных задачах. Кроме того, поддиапазон 10-18 ГГц позволяет работать с динамическими объектами – объектами, движущимися со скоростью до 5-6 км/ч. Поддиапазон 60-66 ГГц не позволяет принципиально такого сделать.
На основании полученного радиоголографического изображения человека был разработан физический метод идентификации диэлектрического объекта на его теле. Предлагаемый метод основан на сравнении изображений человека, получаемых в различных спектральных диапазонах – видимом и СВЧ. Схематично сравнение проиллюстрировано на рисунке 4.
Рисунок 4. Построение изображений в общей системе координат в разных спектральных диапазонах. 1 – положение рассеивающей поверхности, 2 – изображение в СВЧ диапазоне, 3 – изображение в видимом диапазоне, 4 – положение диэлектрика.
Метод анализа радиоголографических изображений основан на том, что диэлектрический объект, находящийся на теле человека, вызывает смещение соответствующего участка радиоголографического изображения (рис.4, 2) на величину L0 и смещения соответствующего участка видео изображения (рис.4, 3) на величину L1 в противоположенном направлении. Данный анализ позволяет идентифицировать объект по параметрам: объем и диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость ε диэлектрика рассчитывается по формуле:
(3)
На основе задачи идентификации объекта была исследована возможность классификации объектов, носимых на теле человека, «на условно опасные» и «условно безопасные», что позволяет использовать данную методику применительно к задачам досмотра человека. В диссертационной работе представлены результаты идентификации и классификации объектов с использованием данного метода, интегрированного в программное обеспечение системы АМУ256х4х8.
В третьей главе представлен метод построения радиотомографического изображения диэлектрического объекта, основанный на измерении комплексных амплитуд прошедшего через диэлектрик поля, последовательным применением методов преобразования Фурье и обратных Радоновских проекций. Методом преобразования Фурье (5) измерялось положение приемной антенны относительно передающей в отсутствии и присутствии диэлектрика вдоль отрезка прямой, соединяющего их центры:
где P(x’,y’,0) – поле на передающем элементе решетки, P(x,y,z) – восстанавливаемое поле в точки приемной антенны, Nf – количество используемых частот, (x,y,z) – координаты точки восстановления, (x’,y’,0) – координаты передающего элемента антенной решетки, R – физическое расстояние от передающего элемента до приемной антенны, k – волновой вектор. Удлинение оптического пути, вызванное присутствием диэлектрика, определялось смещением положения максимума функции отношения:
где P(x,y,z) и P0(x,y,z) – восстанавливаемые поля в точке приемной антенны, соответственно в присутствии и отсутствии диэлектрика между передающей и приемной антеннами, l – удлинение оптического пути.
При решении задачи построения радиотомографического изображения было выбрано расположение приемо-передающих элементов, изображенное на рисунке 5.
Измерение удлинения оптического пути, измеряемое для каждой пары приемник-передатчик, составляло профиль удлинения – распределение удлинения оптического пути в плоскости РСА.
Рисунок 5. Схема экспериментальной установки в избранной системе координат. 1 – исследуемый диэлектрический объект, 2 – РСА, 3 – 3 приемные антенны. Пунктиром отмечены области видимости для пар антенная решетка-приемник.
Для измерения профилей удлинения исследуемый диэлектрический объект поворачивался вокруг вертикальной оси с равномерным шагом по углу. Для каждого положения диэлектрика вычислялся профиль удлинения. Для построения радиотомографического изображения диэлектрика применялся метод обратных радоновских проекций:
где S(x, y, z) – суммарная проекция, Ri – обратная радоновская проекция, 15

si – плоскость, в которой измеряется профиль удлинения, φi – угол поворота. Функция S(x, y, z) является распределением плотности удлинения
оптического пути в исследуемой области пространства.
Эксперименты были проведены на наборе заранее подготовленных
диэлектрических образцов. На рисунке 6 представлено сечение трехмерной томограммы плоскостью, в которой расположен диэлектрик, профиль удлинения которого был измерен с 36 ракурсов.
Рисунок 6. Радиотомографическое изображение диэлектрического образца из ПВХ в сечении. На рисунке не представлены значения, не превышающие 10% от максимального значения.
Для идентификации диэлектрического объекта и его ключевых характеристик для задачи идентификации применялся метод трехмерной сегментации к функции S(x, y, z). Измеряемая диэлектрическая проницаемость соответствовала с заранее измеренной диэлектрической проницаемостью для всех диэлектриков из заранее подготовленного набора.
На основе проделанных экспериментов, была разработана экспериментальная установка, для построения радиотомографического изображения диэлектрика в движении.
Для достижения наибольших размеров контролируемой области – области, находящейся внутри исследуемой зоны, внутри которой определение основных физических параметров диэлектрика происходит с приемлемой точностью; было проведено моделирование, которое расчитало оптимальное расположение приемо-передающих элементов экспериментальной установки (рис. 7).
Рисунок 7. Экспериментальная установка для построения движущихся диэлектрических объектов в избранной системе координат. 1 – исследуемый диэлектрик, 2 – исследуемая зона, 3 – 6 приемных антенн, 4 – 2 РСА передатчиков. Пунктиром отмечены 2 пары приемная антенна, РСА, образующие профиль удлинения.
При оптимальном расположении приемо-передающих элементов была решена задача о построении радиотомографического изображения движущейся системы – диэлектрик-оболочка (рис. 8) через исследуемую зону и вычислены основные физические параметры диэлектрика. Оболочка в данной постановке задачи являлась тонким слоем материала, который прозрачен для радиодиапазона длин волн и не прозрачен для оптического диапазона.
Рисунок 8. Схема движения исследуемого диэлектрика в оболочке через установку в избранной системе координат. 1 – исследуемый диэлектрик, 2 – 2 РСА передатчиков, 3 – 6 приемных антенн, 4 –исследуемая зона, 5 – оболочка.
Эксперименты показали, что для диэлектриков с размерами 15х15х8 см и более, находящимися внутри оболочки, было возможным идентифицировать их ключевые для задачи досмотра физические параметры.
На основании результатов произведенных экспериментов был разработан радиотомографический метод построения и идентификации скрытно провозимых диэлектрических предметов и интегрирован в программное обеспечение систем класса АМУ256: АМУ256х2х6L.
В четвертой главе был установлен критерий опасности на основе многочисленных экспериментов для радиоголографического и радиотомографического методов.
Для радиоголографического метода критерии опасности были следующие:
– Диэлектрическая проницаемость попадает в диапазон [2.3, 4.5] на основании результатов нескольких десятков экспериментов.
– Объем диэлектрика превышает 0.5 л и не превышает 3 л.
Для радиотомографического метода критерии опасности были
следующие:
– Диэлектрическая проницаемость попадает в диапазон [2.3, 4.5] на
основании результатов нескольких десятков экспериментов. – Объем диэлектрика превышает 1 л и не превышает 5 л.
Выбранные критерии опасности обусловлены характерными размерами и диэлектрическими свойствами используемых самодельных взрывчатых веществ
С установленными критериями опасности были проведены эксперименты по вычислению вероятностей обнаружения, вероятностей ложного срабатывания (ошибка первого рода) и вероятности пропуска (ошибка второго рода). Установлено, что для радиоголографического метода вероятность обнаружения находится в диапазоне 91-98% и зависит от индекса массы тела человека. Для радиоголографического метода – вероятность обнаружения находится в диапазоне 87-96% и зависит от геометрического расположения диэлектрика в исследуемой зоне.
Основные результаты работы:
1. Теоретически и экспериментально обоснован выбранный поддиапазон СВЧ 10-18 ГГц. Данный поддиапазон позволяет с одной стороны работать с объектами размеров от 4-5 см и, с другой стороны, обеспечивать необходимое для практики быстродействие расчетов.
2. Показано, что реализованный метод построения и обработки радиоголографических изображений, основанного на решении обратной задачи дифракции в приближении однократного рассеяния в поддиапазоне СВЧ 10-18ГГц, позволяет эффективно обнаруживать диэлектрики на теле человека размерами от 5 см. Показано, что использование поддиапазона СВЧ 10-18 ГГц совместно с квазистационарным приближением в данном методе позволяет
производить вычисления в режиме реального времени для объектов
движущихся со скоростью до 5-6 км/ч.
3. Предложен оригинальный метод построения и обработки
радиотомографических изображений в поддиапазоне СВЧ 10-18ГГц, основанный на дискретном обратном преобразовании радоновских проекций. Данный метод позволяет обнаруживать диэлектрические предметы размером от 5 см, скрытые тонкой оболочкой, а его быстродействие позволяет работать в режиме реального времени с объектами, движущимися со скоростью до 5-6 км/ч.
4. Установлены критерии опасности идентифицируемого диэлектрического объекта на основе измеренных его ключевых физических параметров. Опасными являются предметы в диапазоне 2.3-4.5 по величине диэлектрической проницаемости и 0.5-3 л для радиоголографического метода и 1-5 л для радиотомографического метода.
5. Разработанный комплекс методов построения и анализа радиоголографического и радиотомографического изображений объекта внедрен в качестве функционального блока системы досмотра пассажиропотока HSR (Human Security Radar), обеспечивающего возможность скрытного использования, нужное для работы в реальном времени быстродействие, безопасность для здоровья человека и автономность работы.