Актуальность.
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 [1−6]. 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 традиционных методов измерений параметров лесных массивов, с одной стороны, и наземными, подспутниковыми радиофизическими измерениями, с другой стороны [7−9].
Леса покрывают одну треть поверхности суши, в них содержится 65% прироста биомассы и 90% её общей массы. Сосновые, лиственничные и кедровые боры Сибири зреют около 80 лет, при этом каждое дерево полтора столетия связывает и аккумулирует в себе атмосферный углерод. Таким образом, леса являются основным аккумулятором углерода, представляющего основу жизни на Земле [3].
Лесные массивы полупрозрачны для электромагнитных излучений только в микроволновой области Р, Ь, Б, С, X, АГ^гДиапазонах (0,23^-18 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 и имеют ряд других преимуществ привлекательных для широкого спектра задач и практических приложений [10−13]. 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 [14].
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 визуального1 обнаружения объектов террористических угроз в этих условиях.1' 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 5.
Ч" техники и людей в лесных массивах. Использование волн оптического и инфракрасного диапазонов малоэффективно в силу слабой проникающей способности излучения. Наибольшее проникновение излучения достигается в радио диапазоне. 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.
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 радиолокационнойтомографии с угловым сканированием в зоне дифракции Френеля.
Исследования, результаты которых включены в диссертационную работу, проводились в 2002 — 2009 гг. в рамках:
• РФФИ № 01−02−17 233 «Теоретическое и экспериментальное исследование неоднородных сред и объектов с нелинейными включениями методами радиотомографии»,.
• программа «Университеты России» № УР.01.01.395 «Локализация взаимодействия сверхширокополосного радиоволнового излучения с веществом» (2005),.
• лот ФАНИ РФ по проекту ФЦНТП — гос. контракт № 02.438.11.7008 от 19 августа 2005 г., шифр РИ-16.0/013 «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»;
• ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 — 2006 годы», проект «Разработка методов космической радиолокации и радиометрии территории Сибири» № И0106.120, научные экспедиции совместно с КНЦ СО РАН (2002;2006 гг.) — ' ' ' '.
• ЕЗН «Локализация» № гос. per. 1 200 613 077, ^ 2005;2008 гг. «Пространственно-временная локализация ' «взаимодействия сверхширокополосного радиоизлучения с неоднородными Ьредами»;
• АВЦП № 2.1.2/3339 2009;2010 гг. Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук, научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры' вузовской науки. Проект «Физико-математическая модель радиотомографа»;
• 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.
Задачи данного исследования.
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 на кафедре радиофизики радиофизического факультета Томского государственного университета совместно с отделом радиоволнового зондирования Института физики КНЦ СО РАН на полигоне «Погорелки» Института леса КНЦ СО РАН (Красноярск). Основным инструментом экспериментальных исследований был 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 и 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). Автоматическая регистрация данных и первичная их обработка производилась под управлением системы ЬаЬУ1еу. Последующая томографическая обработка данных производилась с использованием математического пакета Ма1: ЬаЬ.
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 1Д±0,2дБ/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 и обоснованность результатов работы.
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 I известными экспериментальными данными других авторов по распространению радиоволн в условиях леса и лесопарковых зон (Таггиг Т. — 1977 г.- Тешап Т. — 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 сканированиемпри 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.
Использование и внедрение результатов работы.
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 или 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 помощьв организации проведения и финансировании работ оказал чл.-корр. РАН, заведующий лаборатории радиофизики дистанционного зондирования Института физики им. A.B. 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, H.A. 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 опубликована 18 работ [15−32] в том числе, 6 статей в журналах, рекомендованных ВАКом, тезисах 12 докладов на международных (5), всероссийских (8) и региональных (3) научных конференциях.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 83 наименований. Работа содержит 110 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 5 таблиц.
Заключение
.
Проведенное исследование направлено на разработку нового томографического метода радиолокационного дистанционного зондирования внутренней структуры лесных массивов и находящихся в них малоразмерных объектов в условиях существенного влияния эффектов рассеяния и взаимного затенения стволов деревьев. Исследование основано на анализе многочисленных экспериментальных данных, полученных автором в ходе научных экспедиций на полигон Института леса КНЦ СО РАН с использованием специально разработанного для этого действующего макета импульсного СП1П радара. Основное внимание сосредоточено на проблеме повышения точности пространственного разрешения неоднородностей.
В ходе исследований получены следующие результаты:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Показано, 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.
5. 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.
6. 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°.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
Ю.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.
В целом установлено, что основным фактором, ограничивающим точность метода СШП томографии, являются шумы измерений, которые связаны с шумами как самих СШП сигналов, так и системы регистрации. Эффективность и работоспособность всех предложенных методов изменений и алгоритмов обработки экспериментальных данных была проверена в ходе экспедиции 2003;2006 годов на полигоне Института леса им. В. Н. Сукачева Красноярского научного центра СО РАН.
В практическом отношении разработанный метод радиоволновой томографии решает задачу дистанционной съемки ландшафтного плана леса, что вплоть до настоящего времени составляет одну из актуальных задач природопользования и радиоразведки в условиях леса. Дальнейшее развитие метода возможно с использованием аэрокосмических носителей.
