CC BY
18
УДК 621.396.967:629.735.33 (024)
ПРЯМОЛИНЕЙНЫЙ АПЕРТУРЫЙ СИНТЕЗ В ТОМОГРАФИИ
Валерий Павлович Ющенко
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, профессор кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (903)939-82-12, e-mail: [email protected]
Владимир Андреевич Блинов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, студент кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (983)133-50-47, e-mail: [email protected]
Владимир Николаевич Легкий
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, зав. кафедрой автономных информационных и управляющих систем, тел. (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Сергей Алексеевич Литвиненко
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, инженер кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (913)906-90-24, e-mail: [email protected]
Любовь Васильевна Шебалкова
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, ст. преподаватель кафедры автономных информационных и управляющих систем, тел. (903)997-67-18, e-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность использования апертурного синтеза в томографии. Рассматривается реконструкция изображения предметов на акустических ультразвуковых волнах при зондировании объектов монохроматическим сигналом в водной среде. Для реконструкции изображения используется фокусировка синтезированной апертуры при перемещении объекта относительно локационного датчика (локатора) в воде по прямолинейной траектории. Показано влияние поверхностной волны на результаты реконструкции изображения. Отмечены достоинства и недостатки метода. Показаны результаты эксперимента и моделирования, подтверждающие работоспособность метода. Предлагается применять предложенный подход в системах ближней локации в оптическом и радиодиапазоне для обнаружения, селекции и распознавания объектов на фоне реальной поверхности.
Ключевые слова: прямолинейный апертурный синтез, реконструкция изображения, ультразвук, монохроматический зондирующий сигнал, траекторный сигнал, томография.
RECTILINEAR APERTURY SYNTHESIS IN TOMOGRAPHY
Valery P. Yushchenko
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, D. Sc., Professor, Department of Autonomous Information and Operating Systems, phone: (903)939-82-12, e-mail: [email protected]
Vladimir A. Blinov
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Student, Department of Autonomous Information and Operating Systems, phone: (983)133-50-47, e-mail: [email protected]
Vladimir N. Legky
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, D. Sc., Head of Department of Autonomous Information and Control Systems, phone: (383)346-26-23, e-mail: [email protected]
Sergey A. Litvinenko
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Research Engineer, Department of Autonomous Information and Operating Systems, phone: (913)906-90-24, e-mail: [email protected]
Lyubov V. Chebelkova
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Senior Lecturer, Department of Autonomous Information and Control Systems, phone: (903)997-67-18, e-mail: [email protected]
The possibility of use of aperture synthesis in a tomography is considered. Reconstruction of the image of objects on acoustic ultrasonic waves when sounding objects is considered by a monochromatic signal in the water environment. For reconstruction of the image focusing of the synthesized aperture when moving object of rather locational sensor (locator) in water on a rectilinear trajectory is used. Influence of a superficial wave on results of reconstruction of the image is shown. Method merits and demerits are noted. The results of experiment and modeling confirming opera-bility of a method are shown. It is proposed to apply the proposed approach in near-location systems in the optical and radio bands for the detection, selection and recognition of objects on the background of the real surface.
Key words: rectilinear aperture synthesis, ultrasound, the monochromatic probing signal, reconstruction of the image, a trajectory signal, tomography.
Апертурный синтез широко используется в науке и технике [1-4]. На данный момент он применяется в таких областях, как: картографирование земной поверхности, картографирование поверхности океанов, определение мест зарождения волн, ветров и течений, картографирование дна морей и океанов, томография ионосферных слоев, определение геодинамических эффектов, создание систем радиовидения, обнаружение, селекция и распознавание объектов на фоне морской или земной поверхности (системы ближней локации с многоэлементными антеннами) [5-7], контроль над разливами нефти. Это показывает популярность применения метода синтезированной апертуры и его большие возможности.
С 1983 года предпринимаются попытки использовать апертурный синтез в томографии [1]. Не стоит забывать, что томография - это очень специфическая область апертурного синтеза, особенность заключается в том, что синтез апертуры осуществляется на малой дальности от исследуемого объекта. В этом случае можно очень эффективно использовать фокусировку синтезированной
апертуры для получения радиального разрешения, что невозможно в задачах дальней локации.
Предполагается отказ от импульсного зондирующего сигнала, несмотря на то, что импульсные сигналы обладают радиальным разрешением. Их недостаток в том, что при распространении в дисперсионной среде, к которой относятся ткани человека, возникают дисперсионные искажения, не дающие построить чёткого изображения объекта. Сущность дисперсионных искажений в том, спектральные компоненты импульса распространяются в дисперсионной среде с разными скоростями. Следствием этого является не одинаковая задержка спектральных компонент, что приводит к размыванию отражённого импульса.
Реализовать радиальное разрешение при монохроматическом зондировании возможно как при синтезе апертуры антенны при движении локатора вблизи объекта по прямолинейной траектории с постоянной известной скоростью, так и при движении локатора по круговой траектории вокруг объекта. В обоих случаях возможна фокусировка синтезированной апертуры на заданную дальность. Фокусировка позволяет локализовать отдельные точки (области объекта) и измерить интенсивность отражения зондирующей волны от локализованных областей. При этом зондирование осуществляется монохроматической волной, не дающей дисперсионных искажений.
Суть сбора данных для реконструкции состоит в том, что нужно реализовать перемещения антенны локатора и объекта относительно друг друга. При этом нет принципиальной разницы, что конкретно будет перемещаться - локатор или объект. В результате этого перемещения регистрируется траекторный доплеровский сигнал. Этот траекторный сигнал несёт полную информацию об объекте, а если волна проникает вовнутрь объекта, то тогда она содержит информацию о внутренней структуре объекта.
Реконструкция изображения объекта по траекторному доплеровскому сигналу осуществляется следующим методом. Чтобы восстановить изображение внутренней структуры объекта, сначала требуется зарегистрировать траектор-ный сигнал от томографируемого объекта (рис. 1).
Чтобы осуществить обработку объектного траекторного сигала, нужно организовать управление фокусным расстоянием синтезированной апертуры. Это
-1
о
200 400 600 800 1000
Рис. 1
делается с помощью опорных траекторных сигналов от точечных объектов, которые рассчитываются компьютером в реальном масштабе времени или заранее, согласно выражения (1). Смысл символов, входящих в выражение (1), можно понять из рис. 2, поясняющего геометрию сбора данных, то есть регистрацию траекторного сигнала.
/ (г) =-—--ехр(]—М^ГС/^+У1). (1)
0 Ы - С„ / 2)2 + у2 Л^ а г
Рис. 2
Обозначения: ? - время, V - скорость движения локатора (приёмника с излучателем), - траекторный сигнал от опорной точки, Са - длина синтезированной апертуры, уг - конкретный промах опорной точки. хг - положение конкретной опорной точки на траектории.
Опорные точки, с помощью которых рассчитываются опорные траектор-ные сигналы, располагаются на разном промахе уг по отношению к прямолинейной траектории движения локатора с антеннами с некоторым шагом, перекрывая всё томографируемое пространство. Опорный траекторный сигнал представлен на рис. 3.
Рис. 3
Затем находятся корреляционные функции объектного траекторного сигнала с каждым опорным сигналом. Полученный набор корреляционных функций располагают в координатах промаха и расстояния вдоль траектории. Расположение каждой корреляционной функции на координатной плоскости должно строго соответствовать промаху, для которого был сформирован опорный сигнал. Каждая корреляционная функция является функцией времени. Чтобы перейти от корреляционной функции времени к пространственной координате, то есть к расстоянию вдоль траектории достаточно время умножить на скорость перемещения локатора.
Выбор среды и типа зондирующей волны.
При выборе типа волны надо исходить из формулы, известной в литературе как предел Релея.
Д1 = 1/5
Она устанавливает связь пространственного разрешения дI с длиной волны 1 . Оптическая волна не подходит для томографии с применением апертур-ного синтеза. Она позволяет получить высокую разрешающую способность без апертурного синтеза, но главный недостаток её в том, что она не проникает в тело человека. Электромагнитные волны также мало подходят для томографии. Причина отказа от них в том, что волны короче 3 см. практически не проникают в ткани человека. Кроме того, из-за большой разности диэлектрических проницаемостей на границе воздуха и ткани будут сильные отражения и значительные преломления электромагнитного луча. Существует возможность использования апертурного синтеза при реконструкции изображения предметов на акустических ультразвуковых волнах при зондировании объектов монохроматическим сигналом в водной среде. В этом случае для реконструкции изображения объекта используется фокусировка синтезированной апертуры при перемещении локатора в воде относительно объекта.
Использование ультразвукового диапазона обусловлено возможностью выполнить противоречивые требования - глубина зондирования в реальной среде и разрешающая способность системы, к тому же возможностью исключить вредные воздействия на живой организм, присущее СВЧ излучению.
Синтез апертуры связан с перемещением объекта относительно локатора. При микроскопических размерах объекта, его перемещение относительно неподвижного локатора можно оправдать, но если объект имеет достаточно значительные габариты, то его перемещение в воде вызовет поверхностные волны, что впоследствии скажется на результатах реконструкции изображения.
Чтобы продемонстрировать, как отражения от поверхностной волны повлияют на конечный результат реконструкции изображения, возьмем в качестве томографируемого объекта тонкую металлическую проволочку, диаметр которой равен 1 мм. В этом случае сигнал, который будет отражен от поверхностной волны, будует преобладать над сигналом, отраженным от проволочки (рис. 4, а и рис. 4, с). На рис. 4, Ь и 4, с показаны поверхности, построенные из наборов корреляционных функций. Рис. 4, Ь - это вид корреляционной поверх-
ности построенной для траекторного сигнала рис. 4, а, который соответствует движущейся проволочки, образующей поверхностную волну. Рис. 4, d показывает корреляционную поверхность, построенную по результатам корреляционной обработки смоделированного траекторного сигнала от проволочки без воздействия поверхностной волны (рис. 4, с).
О 200 400 600 800 1000
а
5000
0 200 400 600 800 1000 / С
d
Ь
Рис. 4
Чтобы перейти к изображению проволочки в сечении нужно рассечь полученные корреляционные поверхности горизонтальными плоскостями на разной высоте и совместить образовавшиеся картины сечений (рис. 5).
а
Рис. 5
Ь
На рис. 5, а показан результат реконструкции изображения проволочки в сечении при преобладающем сигнале от поверхностной волны. Рис. 5, Ь - изображение проволочки в сечении при исключённой волны на поверхности воды.
Выводы:
1. При томографировании в водной среде с применением апертурного синтеза не избежать перемещения объекта или антенн локатора.
2. Перемещение будет сопровождаться поверхностной волной, которая может помешать реконструкции изображения объекта в сечении.
3. Поверхностная волна быстро затухает по мере увеличения глубины, поэтому для ослабления влияния поверхностной волны необходимо при сборе данных (при регистрации траекторного сигнала) нужно проводить томографи-рование на глубине 1,5 см и более.
4. Предложено применять предложенный подход в системах ближней локации в оптическом и радиодиапазоне для обнаружения, селекции и распознавания объектов на фоне реальной поверхности. Возможно создание систем радиовидения, обнаружение, селекция и распознавание объектов на фоне морской или земной поверхности (системы ближней локации с многоэлементными антеннами).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Менса Д. Л., Халеви Ш., Уэйд, Г. Применение методов когерентной доплеровской томографии для получения изображений на СВЧ // ТИИЭР. - 1983. - Т. 71. - № 2. - С. 76-84.
2. Ющенко В. П. Доплеровское сканирование структуры объекта с помощью синтезированной апертуры // Приборы и техника эксперимента. - 2001. - № 2. - С. 41-45.
3. Ющенко В. П. Круговой апертурный синтез для целей томографии // Автометрия. -2002. - Т. 38, № 6. - С. 28-33.
4. Ющенко В. П. Сопоставление двух методов когерентной томографии // Радиотехника и электроника. - 2004. - № 2. - С. 196-205.
5. Орлова М. В., Легкий В. Н. Синтез систем ближней локации : учеб. пособие // Новосибирск : НГТУ. - 2005. - 182 с.
6. Денисова Е. В., Легкий В. Н. Автономные информационные системы обнаружения скрытых объектов : учеб. пособие. - Новосибирск : НГТУ, 2012. - 128 с.
7. Шебалкова Л. В., Легкий В. Н., Ромодин В. Б. Микроволновые и ультразвуковые сенсоры : учеб. пособие / под ред. Легкого В. Н. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2015. - 172 с.
© В. П. Ющенко, В. А. Блинов, В. Н. Легкий, С. А. Литвиненко, Л. В. Шебалкова, 2018
