Разработка новых методов регистрации, обработки и представления радиолокационных сигналов и изображений в подповерхностной мультистатической радиолокации (проект РНФ №15-19-30012)

Руководитель проекта Бугаев А.С., rslab@rslab.ru.
Зам. руководителя проекта Журавлев А.В., zhuravlev@rslab.ru.

Аннотация проекта

     Современный метод регистрации данных подповерхностного радиолокационного зондирования, при котором получаются изображения, заключается в получении выборок отраженного сигнала на регулярной сетке путем построчного сканирования вдоль параллельных эквидистантных линий совмещенной приемопередающей антенной, либо парой разнесенных антенн. Зондируемая поверхность в алгоритмах обработки данных предполагается плоской, а конкретная реализация рельефа поверхности, при его наличии, никак не учитывается. Необходимость регистрации сигнала на регулярной плоской прямоугольной сетке существенным образом увеличивает трудоемкость и продолжительность сбора данных, в то время как наличие рельефа у зондируемой поверхности существенным образом влияет на возможность получения радиолокационного изображения скрытого объекта, особенно когда искомый объект располагается в приповерхностном слое. При таком подходе к сбору данных, их обработка и визуализация зачастую осуществляется в отложенный момент времени, когда повторный сбор данных, при необходимости, сопряжен с дополнительными затратами. Для решения задач ближней и подповерхностной радиолокации, таких как поиск локализованного объекта (поиск мин в грунте, дефектов в конструкциях и материалах), обследование объектов со сложной поверхностью рельефа (памятники и архитектура культурного наследия, изделия из композитных материалов, досмотр людей с использованием ручных микроволновых радиолокаторов), зондирование объектов с меняющейся во времени формой поверхности (досмотр людей в движении, биорадиолокация) такой подход оказывается не только малоэффективным и малопроизводительным, но и невозможным.
     В предлагаемом проекте в качестве первостепенной задачи предлагается разработать методику сбора радиолокационных данных с использованием произвольных выборок, сохраняя максимальное число степеней свободы для одного или нескольких антенных зондов. Для решения этой задачи планируется использовать современный 3D-видеосенсор, который будет использован не только для слежения за одним или несколькими антенными зондами, регистрируя их положение и ориентацию относительно зондируемой поверхности, но и для регистрации трехмерного рельефа и текстурных неоднородностей зондируемой поверхности. Таким образом, исходными данными для обработки радиолокационного сигнала и построения радиолокационного изображения будут являться совокупность отсчетов радиолокационного сигнала, полученных в различных точках пространства на множестве дискретных излучаемых частот и привязанных к трехмерной карте рельефа зондируемой сцены, а также оптическое и/или инфракрасное изображение зондируемой сцены. Оптическое или инфракрасное изображение зондируемой сцены получаются в силу особенностей работы оптического 3D-сенсора. Для осуществления обработки радиолокационного сигнала будут разработаны методы, которые позволят работать с произвольными выборками и учитывать рельеф и текстуру зондируемой сцены. Будут рассмотрены задачи вычислительной оптимизации алгоритмов обработки радиолокационного сигнала для того, чтобы поступающие от зондов данные обрабатывались и отображались оператору в реальном времени. Получение результата зондирования в виде радиолокационого изображения в реальном времени позволит использовать адаптивный интерактивный сбор данных, при котором данные собираются преимущественно в выявленных областях интереса, а появившиеся дополнительные степени свободы одного или нескольких зондов (высота зонда над поверхностью, ориентация, направление поляризации и диаграмма направленности в случае мультистатической антенной конфигурации) при этом позволяют осуществить дополнительное подавление помех, обусловленных рельефом зондируемой поверхности, наличием неоднородностей среды, коррелируемых с неоднородностями поверхности, либо других посторонних экранирующих объектов.
     Использование системы привязки данных на основе видеосенсора позволяет реализовать в проекте методику представления данных радиолокационного зондирования в реальном времени с использованием дополненной реальности. В отличие от современных систем дополненной реальности, в которых на изображение реального мира накладывается изображение, синтезированное компьютером и имеющее связи только с физическими размерами и взаимным расположением объектов видимой сцены (компьютерные игры), разработанная методика позволит визуализировать данные радиолокационных измерений видимого участка поверхности в виде радиолокационного изображения поверхности на желаемой глубине, изоповерхности постороннего объекта или дефекта и т.п.
     Разработанные в проекте методики получения произвольных выборок радиолокационного сигнала, обработки и представления данных могут быть использованы впоследствии для решения широкого круга научно-технических задач. Так, вместо антенн радиолокатора могут быть использованы и другие датчики или сенсоры. Соответственно, система визуализации данных на основе дополненной реальности будет способна отображать данные, зарегистрированными различными типами сенсоров. Система видеослежения и привязки данных может быть использована в экспериментах по имитационному моделированию многоэлементных антенных систем с использованием всего лишь пары разнесенных передающей и приемной антенн, что является актуальным в связи с развитием MIMO-технологий в системах связи и радиолокации. Разработанные в ходе выполнения проекта методы и подходы будут учитывать возможность архивирования собираемых измерений с целью их последующего представления с использованием традиционных методов компьютерной визуализации и пополнения данными, полученными с помощью того же или других сенсоров.
     Научная новизна проекта заключается в открывшейся, благодаря развитию 3D-видеосенсоров, возможностях развития новых методов использования радиолокационных систем. Актуальность заявляемой темы проекта обусловлена развитием многопозиционных радиолокационных систем и связанных методов обработки радиолокационного сигнала, развитием методов обработки сигнала, полученного на разреженных выборках, развитием информационных систем, позволяющих собирать и представлять об объектах разноплановую информацию, развитием компьютерных систем дополненной реальности, позволяющей строить синтетическое изображение с отображением информации, полученной с помощью датчиков и сенсоров полей, которые не воспринимаются органами чувств человека.
     Полученные результаты в перспективе могут лечь в основу создания новых устройств и методов — ручного радиолокатора, формирующего изображение, для поиска запрещенных под одеждой металлических и диэлектрических предметов, микроволновой системы для досмотра свободно передвигающихся лиц, метода оценки диэлектрической проницаемости образца с границей произвольной формы, биорадиолокаторов.

Дополнительные материалы и публикации по проекту

1. A. V. Zhuravlev, V. V. Razevig, M. A. Chizh, On the Use of Augmented Reality Devices for Subsurface Radar Imaging, Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2016), Shanghai, China, 8-11 August, 2016.
   (PDF, 1.4 Mb)


2. Чиж М. А., Использование разреженных выборок в подповерхностной голографической радиолокации, Радиотехника, 2016, №5, 2016, с. 134-141.
   (PDF, 5 Mb)


3. Заявка от МГТУ им. Н.Э. Баумана, представленная в конкурсе предложений на организацию и проведение 9-го Международного симпозиума по современным подповерхностным радиолокаторам (International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar, IWAGPR) в 2017 году в Москве.
   (PDF, 8 Mb)

4. Письмо поддержки, полученное от проф. Л. Капинери из Университета Флоренции на этапе заявки настоящего проекта.
   (PDF, 82 kb)

5. Письмо поддержки нашей аналогичной заявки от членов организационного комитета о проведении 17-й Международной конференции по подповерхностным радиолокаторам (17th International Conference on Ground Penetrating Radar) в 2018 году в Москве.
   (PDF, 136 kb)

6. Аннотации 5 докладов, заявленных на конференцию GPR'2016
   (PDF, 77 kb)

7. Bechtel, T.; Capineri, L.; Windsor, C.; Inagaki, M.; Ivashov, S., "Comparison of ROC curves for landmine detection by holographic radar with ROC data from other methods," in Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR), 2015 8th International Workshop on , vol., no., pp.1-4, 7-10 July 2015. doi: 10.1109/IWAGPR.2015.7292645
   (PDF, 175 kb)

8. Vohra, D.; Bechtel, T.; Thomas, R.D.K.; Capineri, L.; Windsor, C.; Inagaki, M.; Ivashov, S.; Van Scyoc, R., "A test of holographic radar for detection of hidden vertebrate tracks and trackways," in Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR), 2015 8th International Workshop on , vol., no., pp.1-4, 7-10 July 2015. doi: 10.1109/IWAGPR.2015.7292619
   (PDF, 372 kb)

9. Andrey Zhuravlev, Vladimir Razevig, Sergey Ivashov, Alexander Bugaev, and Margarita Chizh, Microwave Imaging of Moving Subjects by Combined Use of Video-tracker and Multi-static Radar. IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems. 2 - 4 November 2015, Tel Aviv, Israel.
   (PDF, 1.4 Mb)

10. Andrey Zhuravlev, Vladimir Razevig, Sergey Ivashov, Alexander Bugaev, and Margarita Chizh, Experimental Simulation of Multi-Static Radar with a Pair of Separated Movable Antennas. IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems. 2 - 4 November 2015, Tel Aviv, Israel.
    (PDF, 1.6 Mb)

11. С. И. Ивашов, М. А. Чиж, А. В. Журавлев, В. В. Разевиг, А. А. Мильяченко, А. В. Кологов, Выбор частоты при СВЧ диагностике композиционных изделий с помощью голографических радиолокаторов, Контроль. Диагностика. №1, 2017, стр. 16-23. DOI: 10.14489/td.2017.01.pp.016-023
12. A.V. Zhuravlev, V.V. Razevig, M.A. Chizh and A.S. Bugaev, On the use of augmented reality devices for subsurface radar imaging, PIERS in Shanghai, Aug. 8-11, 2016, pp. 2132-2136. DOI: 10.1109/PIERS.2016.7734890
    (PDF, 1.4 Mb)
13. Алборова И.Л., Анищенко Л.Н. Экспериментальное исследование возможности детектирования новообразований молочной железы при помощи радиолокации Журнал "Биомедицинская радиоэлектроника" (2016 г.).
14. L. N. Anishchenko, I. L. Alborova, M. A. Chizh, and A. V. Zhuravlev, Microwave Imaging of Biological Tissue Phantom in Different Frequency Ranges Proceedings of Progress in Electromagnetics Research, Shanghai, China, Aug. 8-11, 2016.
    (PDF)
15. A. Zhuravlev, V. Razevig, M. Chizh, S. Ivashov, A. Bugaev, A. Kokoshkin, V. Korotkov, Data acquisition, processing, and visualization in microwave holography with probe tracking and positioning on video Proceedings of 16th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR 2016), Hong Kong, 13-16 June 2016.
    (PDF)
16. Черепенин В.А., Журавлев А.В., Чиж М.А., Кокошкин А.В., Коротков В.А., Коротков К.В., Новичихин Е.П. Восстановление подповерхностных радиоголограмм как полностью, так и частично измеренных, разными методами Журнал "Радиотехника и электроника" (2016 г.)
17. Чиж М. А., Использование разреженных выборок в подповерхностной голографической радиолокации, Радиотехника, 2016, №5, 2016, с. 134-141.
    (PDF, 5 Mb)
18. Margarita A. Chizh, Andrey V. Zhuravlev, Vladimir V. Razevig, and Sergey I. Ivashov, Experimental Validation of Sparse Sensing Technique in Subsurface Microwave Holography, PIERS in Shanghai, 8 - 11 August, 2016, pp. 1734-1738. DOI: 10.1109/PIERS.2016.7734775
    (PDF, 1.5 Mb)
19. А. Журавлев, Досмотреть каждого, кто входит в метро, geektimes.ru (2017 г.)
    (Читать)
20. A. Zhuravlev, V. Razevig, A. Tataraidze, M. Chizh and S. Ivashov, Microwave imaging of concealed objects beneath clothing by creating synthetic aperture due to natural motion of the subject, PIERS 2017 – Proceedings (2017 г.).
    (PDF)
21. A. Zhuravlev, V. Razevig, M. Chizh, S. Ivashov, Imaging of concealed objects on moving persons by creating synthetic aperture due to their natural motion, Proceedings of the IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2017).
    (PDF)
22. V. V. Razevig, A. V. Zhuravlev, M. A. Chizh, S. I. Ivashov, A. S. Bugaev, Hand-held Radar with Video Positioning System for Microwave Imaging, Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2017), St Petersburg, Russia, 22-25 May, 2017.
    (PDF)
23. V. V. Razevig, A. V. Zhuravlev, A. S. Bugaev, M. A. Chizh, S. I. Ivashov, Imaging under Irregular Surface Using Microwave Holography, Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2017 in Singapore), Singapore, 19-22 November, 2017.
    (PDF)
24. V. V. Razevig, A. V. Zhuravlev, A. S. Bugaev, and M. A. Chizh, Measurement and Compensation of Frequency-dependent Antenna Phase Center Position for Microwave Holography Applications, Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2017 in Singapore), Singapore, 19-22 November, 2017.
    (PDF)