Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара

В работе исследована актуальная проблема измерения толщины приповерхностных слоев зондируемой среды с помощью георадарных радиолокационных систем при строгих ограничениях на минимальную длительность зондирующего видеоимпульса и наличии интенсивных интерференционных помех, обусловленных резонансными...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Радіофізика та електроніка
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Сытник, О.В., Масалов, С.А., Почанин, Г.П.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2015
Schlagworte:	Статистическая радиофизика
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106252
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара / О.В. Сытник, С.А. Масалов, Г.П. Почанин // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 4. — С. 39-44. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-106252
record_format	dspace
spelling	Сытник, О.В. Масалов, С.А. Почанин, Г.П. 2016-09-21T16:24:58Z 2016-09-21T16:24:58Z 2015 Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара / О.В. Сытник, С.А. Масалов, Г.П. Почанин // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 4. — С. 39-44. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106252 621.396:621.391.82 В работе исследована актуальная проблема измерения толщины приповерхностных слоев зондируемой среды с помощью георадарных радиолокационных систем при строгих ограничениях на минимальную длительность зондирующего видеоимпульса и наличии интенсивных интерференционных помех, обусловленных резонансными эффектами в антенне и многократными переотражениями зондирующего сигнала от границ раздела сред. У роботі досліджено актуальну проблему вимірювання товщини приповерхневих шарів зондованого середовища за допомогою георадарних радіолокаційних систем при жорстких обмеженнях на мінімальну тривалість зондуючого відеоімпульсу і наявності інтенсивних інтерференційних завад, зумовлених резонансними ефектами в антені та багаторазовими перевідбиваннями зондуючого сигналу від меж розділу середовищ. The actual problem of measuring the thickness of the surface layers of the soil using GPR radar systems under stringent restrictions on the minimum length of a video pulse and under the presence of the noise caused by resonance effects in antenna and multiple reflections of the sounding signal from the boundaries between media has been studied. Работа выполнена в рамках проекта «Радиолокационный мониторинг технического состояния подповерхностной части инженерных сооружений (2013–2015 гг.)» по программе НАН Украины «Ресурс». ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Статистическая радиофизика Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара Алгоритм гомоморфної обробки сигналів георадара Homomorphic signal processing algorithm of ground penetration radar Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара
spellingShingle	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара Сытник, О.В. Масалов, С.А. Почанин, Г.П. Статистическая радиофизика
title_short	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара
title_full	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара
title_fullStr	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара
title_full_unstemmed	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара
title_sort	алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара
author	Сытник, О.В. Масалов, С.А. Почанин, Г.П.
author_facet	Сытник, О.В. Масалов, С.А. Почанин, Г.П.
topic	Статистическая радиофизика
topic_facet	Статистическая радиофизика
publishDate	2015
language	Russian
container_title	Радіофізика та електроніка
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
format	Article
title_alt	Алгоритм гомоморфної обробки сигналів георадара Homomorphic signal processing algorithm of ground penetration radar
description	В работе исследована актуальная проблема измерения толщины приповерхностных слоев зондируемой среды с помощью георадарных радиолокационных систем при строгих ограничениях на минимальную длительность зондирующего видеоимпульса и наличии интенсивных интерференционных помех, обусловленных резонансными эффектами в антенне и многократными переотражениями зондирующего сигнала от границ раздела сред. У роботі досліджено актуальну проблему вимірювання товщини приповерхневих шарів зондованого середовища за допомогою георадарних радіолокаційних систем при жорстких обмеженнях на мінімальну тривалість зондуючого відеоімпульсу і наявності інтенсивних інтерференційних завад, зумовлених резонансними ефектами в антені та багаторазовими перевідбиваннями зондуючого сигналу від меж розділу середовищ. The actual problem of measuring the thickness of the surface layers of the soil using GPR radar systems under stringent restrictions on the minimum length of a video pulse and under the presence of the noise caused by resonance effects in antenna and multiple reflections of the sounding signal from the boundaries between media has been studied.
issn	1028-821X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/106252
citation_txt	Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара / О.В. Сытник, С.А. Масалов, Г.П. Почанин // Радіофізика та електроніка. — 2015. — Т. 6(20), № 4. — С. 39-44. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT sytnikov algoritmgomomorfnoiobrabotkisignalovgeoradara AT masalovsa algoritmgomomorfnoiobrabotkisignalovgeoradara AT počaningp algoritmgomomorfnoiobrabotkisignalovgeoradara AT sytnikov algoritmgomomorfnoíobrobkisignalívgeoradara AT masalovsa algoritmgomomorfnoíobrobkisignalívgeoradara AT počaningp algoritmgomomorfnoíobrobkisignalívgeoradara AT sytnikov homomorphicsignalprocessingalgorithmofgroundpenetrationradar AT masalovsa homomorphicsignalprocessingalgorithmofgroundpenetrationradar AT počaningp homomorphicsignalprocessingalgorithmofgroundpenetrationradar
first_indexed	2025-11-25T21:41:31Z
last_indexed	2025-11-25T21:41:31Z
_version_	1850556099201073152
fulltext	ССТТААТТИИССТТИИЧЧЕЕССККААЯЯ РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X Радиофизика и электроника. 2015. Т. 6(20). № 4 © ИРЭ НАН Украины, 2015 УДК 621.396:621.391.82 О. В. Сытник, С. А. Масалов, Г. П. Почанин Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: ssvp11@ire.kharkov.ua АЛГОРИТМ ГОМОМОРФНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ГЕОРАДАРА В работе исследована актуальная проблема измерения толщины приповерхностных слоев зондируемой среды с помощью георадарных радиолокационных систем при строгих ограничениях на минимальную длительность зондирующего видеоимпульса и наличии интенсивных интерференционных помех, обусловленных резонансными эффектами в антенне и многократными переот- ражениями зондирующего сигнала от границ раздела сред. Традиционные корреляционно-экстремальные методы обработки сигна- лов не позволяют получить разрешение меньше, чем половина суммарной длительности импульса. Преодолеть это ограничение возможно применением нелинейных методов гомоморфной обработки сигналов георадара. Теоретически и экспериментально по- казано, что при применении сверхширокополосных зондирующих сигналов нелинейная обработка отраженных от приповерхност- ных слоев среды сигналов дает возможность идентифицировать границы раздела структур на глубинах вплоть до 5 % от длитель- ности импульса. На основе метода кепстрального анализа синтезирован алгоритм обработки сигналов видеоимпульсного георада- ра. С помощью быстрого преобразования Фурье вычисляется амплитудный спектр сигналов, результат подвергается логарифмиро- ванию и вычисляется обратное преобразование Фурье, содержащее кепстр зондирующего сигнала и дискретный линейчатый кепстр сигнала задержки, анализ которого при относительно высоких соотношениях сигнал/шум позволяет вычислить оценку тол- щины слоя. Приведены результаты моделирования. Обсуждается проблема влияния шумов на ошибки идентификации подповерх- ностных объектов. Ил. 6. Библиогр.: 16 назв. Ключевые слова: спектр, кепстр, сверхширокополосный сигнал, георадар, импульс, граница раздела сред, быстрое пре- образование Фурье, амплитудный спектр, идентификация. В теории и технике подповерхностной радиолокации, особенно быстро развивающейся в последние десятилетия, наметилась тенденция перехода от универсальных георадаров, предназна- ченных для решения одновременно широкого круга задач, к специализированным радиолока- ционным системам. Практика показывает, что существует много задач, решение которых могут обеспечить недорогие георадары, собранные по упрощенным, но в тоже время оптимизирован- ным для решения конкретной задачи схемам. Большинство потребителей георадаров, как пра- вило, нуждаются в повседневном решении одной специфической задачи, например, такой как не- разрушающая диагностика строительных конст- рукций с целью обнаружения скрытых трещин или своевременное выявление дефектов дорож- ного покрытия. Информация об искомом объекте содер- жится в градиенте диэлектрической проницаемос- ти среды, вызывающем отражение и рассеивание электромагнитных волн. Для этих целей исполь- зуют радары, формирующие сверхширокополос- ные (СШП) зондирующие сигналы. Такой сигнал представляет собой наносекундный видеоим- пульс с пикосекундными фронтами. Применение георадаров с СШП зондирующими сигналами для обнаружения и идентификации неоднородностей диэлектрической проницаемости в средах со зна- чительным поглощением и дисперсией выдвигает ряд специфических требований к методам обра- ботки отраженных сигналов [1–6]. В частности, скорость распространения радиоволн в дисперси- онных неоднородных средах не является величи- ной постоянной [7], что обуславливает трудности в определении истинных расстояний до искомых объектов. Как правило, большая часть земных по- кровов состоит из сред, обладающих значитель- ной дисперсией и поглощением, которые меня- ются с изменением содержания влаги в слоях вдоль трассы распространения сигнала. Кроме того, для получения высокого разрешения по глубине зондирования в георадарах приходится применять пикосекундные видеоимпульсы для ударного возбуждения антенны перепадом напряжения. В результате резонансных эффектов антенна формирует знакопеременный затухаю- щий цуг электромагнитных волн (рис. 1), значи- тельно (в несколько раз) превышающий по дли- тельности возбуждающий видеоимпульс, чем и ограничивает разрешающую способность гео- радара по глубине подповерхностного зондиро- вания. 0,0 0,5 1,0 0,3 0,2 0,1 0,0 0,1 0,2 – – S , м к В t, нс – Рис. 1. Примерный вид колебаний в антенне георадара при ее возбуждении видеоимпульсом mailto:ssvp11@ire.kharkov.ua О. В. Сытник и др. / Алгоритм гомоморфной обработки… _________________________________________________________________________________________________________________ 40 Для ряда практически важных приложе- ний эта особенность георадара создает почти непреодолимые проблемы. Характерным приме- ром является задача зондирования покрытий авто- мобильных дорог, где толщины слоев могут составлять от десятков до единиц сантиметров. Наличие двух близко расположенных границ слоев создает интерференционную карти- ну (рис. 2), по которой практически невозможно произвести измерения расстояний до каждой из границ. 0,0 0,5 1,0 0,3 0,2 0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 – – – S , м к В t, нс Рис. 2. Результат отражения сигналов от близко расположен- ных подповерхностных слоев грунта Радиолокационное изображение в такой ситуации содержит множество перекрывающихся темных и светлых полос (рис. 3), затрудняющих идентификацию исследуемых объектов. Рис. 3. Фрагмент приповерхностной части радиолокационного изображения двухслойного участка при корреляционно- экстремальной обработке отраженных сигналов Очевидно, что при корреляционно- экстремальной обработке [8, 9] отраженных сиг- налов радиолокационное изображение такого участка дороги теряет практический смысл, так как измерить толщину слоя или обнаружить де- фекты покрытия на столь малых расстояниях не- возможно. 1. Постановка задачи. Решение пробле- мы для ряда частных случаев можно найти, если учесть тот факт, что расстояние от поверхности асфальта (если в качестве объекта зондирования выбрана автодорога) до его нижней границы не- велико (примерно единицы или десятки санти- метров). В результате уровень отраженного сиг- нала на входе приемника георадара на 20…30 дБ превосходит уровень собственного шума прием- ника. При таких соотношениях сигнал/шум ока- зываются эффективными алгоритмы нелинейной гомоморфной обработки сигналов 9–12. Для того чтобы избежать громоздких ма- тематических соотношений, но сохранить общ- ность анализа, рассмотрим сигнал одной строки глубинного профиля видеоимпульсного георада- ра [5] ),()()()( tntxtxty   (1) где )(tx – зондирующий сигнал со спектральной плотностью )(xF ; 1  – коэффициент затуха- ния сигнала при его распространении в среде;  – задержка сигнала на время, необходимое на распространение зондирующего сигнала до отра- жающей подповерхностной границы и обратно; )(tn – реализация шума со спектральной плот- ностью )(N и нулевым матожиданием. Оценке подлежит параметр . Если тол- щина слоя зондируемой среды такова, что выпол- няется условие ,p  (2) где p – общая длительность зондирующего сиг- нала в среде распространения с учетом резонанс- ных эффектов в антенне, то параметр  может быть вычислен с помощью ряда хорошо извест- ных в статистической радиофизике методов [13–15]. Однако для ряда практически важных случаев, когда условие (2) не выполняется, а знак неравенст- ва меняется на противоположный, классические методы оценивания задержки не работоспособны. 2. Кепстральный подход к оцениванию задержки сигнала. Наблюдаемый сигнал (1) в спектральной области может быть выражен сле- дующим образом:   .)(1)()(   NeFF j xy    (3) Квадрат модуля (3) будет иметь вид    )cos()(2)(1)( 2222  xxy FFF      )()(1)( 2   NFeN x j  (4)   )()(1   NFe x j  , где  – символ комплексного сопряжения. Как видно из (4), спектр наблюдаемого процесса содержит перекрестные спектральные компоненты )(xF и ),(N которые при обра- ботке сигналов являются помехой. Обозначим перекрестные спектральные компоненты как )(xnF и выразим их через реальную и мнимую части: О. В. Сытник и др. / Алгоритм гомоморфной обработки… _________________________________________________________________________________________________________________ 41                  .)(Im)sin()(Re )cos()(Im)(Im )(Re)sin()(Im )cos()(Re)(Re2)(     NF FF NF FFF x xx x xxxn         (5) Путем очевидных преобразований упрос- тим (5), одновременно обозначив      )cos()(Re)(Re  xx FFA    ),sin()(Im  xF      )cos()(Im)(Im  xx FFB    ).sin()(Re  xF Очевидно, что  ,)cos(21)( 2222   xFBA    ,12 12      ,)(1)(1)( 1 1 2222                 xFNR  .)()()( 1 2222        NBAFZ xn  Тогда        2222 )(1)(1)(  NFF xy                )cos()(1)(1 2 1 22  RFx  (6) .)(1 2      Z Прологарифмируем левую и правую части (6), получим                222 )(1ln)(ln  xy FF                  1 222 )(1)(1ln  xFN  (7) .)(1ln)cos()(1ln 22                ZR  Анализ (7) показывает, что первое слага- емое представляет собой детерминированный член, независящий от . Второе и последнее сла- гаемые (7) содержат перекрестные спектры сиг- нала и помехи, что является прямой помехой для выделения информации о задержке. В слагаемом        )cos()(1ln 2  R функция )(R есть ни что иное, как модуляция шумом кепстра задерж- ки. Преобразуем (7) путем разложения последних двух слагаемых по формуле [16]:     .11ln 1 1      k k k k x x В результате получаем          ,)( 1 )cos()(1 )(1)(1ln )(1ln)(ln 2 1 1 1 1 1 222 222 l l l k k k x xy Z l kD FN FF                                               (8) где                32 )( 4 )( )( 4 2 2 2 0   RR D ;                 8 )( 4 )( )()( 5 2 3 2 2 1   RR RD Обратное преобразование Фурье от (8) дает    ,)6( 192 5,0)3( 16 )3( 12 5,0)2( 64 5 )2( 8 )2( 4 5,0 )( 8 )( 4 )(5,0 )( 96 5 )( 32 3 )( 4 )( )1( )(1)(1ln )(1ln)(ln 6 6 5 5 3 3 6 6 4 2 2 2 5 5 3 3 6 6 4 4 2 2 1 1 1 2221 22121                                                                                                                         tCtC tCtC tCtC tCtCtb tCtCtC td l FN FF l l l x xy где   ),()()(1 tCtbR l  а )(tdl и )(tCl пред- ставляют собой соответствующие свертки про- цесса )(tx с )(tb и )(tC соответственно. Анализ соотношения (9) показывает, что однозначно идентифицировать местоположение на оси времени пика кепстра, который соответст- вует истинной задержке сигнала , при наличии шума весьма затруднительно. Фактически после преобразования (9) следующим этапом обработки является решение статистической задачи выделе- (9) О. В. Сытник и др. / Алгоритм гомоморфной обработки… _________________________________________________________________________________________________________________ 42 ния детерминированного сигнала на фоне флук- туационной помехи, статистические характе- ристики которой необходимо предварительно оценить. 3. Оценка статистических свойств по- мех. Изначально в (1) шум )(tn являлся гауссо- вым стохастическим процессом с известной спек- тральной плотностью и нулевым матожиданием. Очевидно, что плотность вероятности процесса )(tn может быть представлена в виде [13] . 2 1 )( 2 2 2 )( 2   tn etW   После применения преобразования Фурье к соотношению (1) плотность вероятности поме- хи можно записать как     . )( )( )()( exp )(),( 2 2 22     N N NN NNW ir ir                (10) где )(),(  ir NN – реальная и мнимая компонен- ты спектра шума соответственно. Из (10) следует, что результирующий помеховый процесс в спектральной области пред- ставляет собой процесс с распределением 2 [15] и двумя степенями свободы. После нелинейного логарифмического преобразования исходный шумовой процесс стал шумом вида    ,1)(1)( )(2   C x eFN  где    .)(1)(1ln)( 12          xFNC  Плотность вероятности такого шума      ,0 ,0 0 1)(exp)()(exp)( )(         C CCC NW     (11) где     12 )()(1)(    NFx  – взвешенное с коэффициентом  21  соотношение спектраль- ной плотности сигнала к спектральной плотности шума. Плотность вероятности комбинационных компонент кепстра имеет вид      . )( )( )( 1)()( 2 1           Re R RW (12) Выражения (11) и (12) представляют собой негауссовские плотности распределения вероятностей процессов, каждый из которых может быть использован для точечных оценок отношений сигнал/шум в пределах определения функции )( в (11). Семейство функций  )(RW при различных значениях )( приве- дено на рис. 4. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 W (R ) R 0,1 0,5 1,0 5,0 Рис. 4. Семейство распределений функции W(R) при различ- ных значениях () Следует отметить, что при низких соот- ношениях сигнал/шум основные значения  )(RW сосредоточены вблизи нулевых значе- ний аргумента. В силу зависимости всех входя- щих в соотношение (12) функций от частоты высокочастотные компоненты кросс-кепстра в наибольшей степени подвержены маскированию помехой. Это обстоятельство накладывает серьез- ные ограничения на возможность применения кепстрального подхода к «сверхразрешению» приповерхностных слоев в случае явно выражен- ных многослойных структур с близко располо- женными границами, поскольку периодический кепстр задержек отраженного сигнала быстро убывает вдоль трассы распространения сигнала. Тем не менее, для простых структур с двумя гра- ницами раздела метод кепстральной обработки дает хорошие результаты. 4. Структура алгоритма обработки сигналов. На рис. 5 показана обобщенная струк- турная схема алгоритма гомоморфной обработки сигналов георадара. Выходной сигнал локатора подвергается преобразованию Фурье, затем производится вы- числение квадрата модуля спектра и его лога- рифмирование. Результат этой операции подвер- гается обратному преобразованию Фурье, обес- печивая тем самым формирование кепстра сигна- ла на входе порогового устройства. Пороговое устройство предназначено для решения задачи обнаружения первого пика линейчатого кепстра сигнала, задержанного на время распространения его до нижней границы зондируемого слоя и об- ратно к приемнику. Выбор порога осуществляет- ся в соответствии с методом максимума правдо- подобия [13] при фиксированной функции рас- пределения вероятностей (12). О. В. Сытник и др. / Алгоритм гомоморфной обработки… _________________________________________________________________________________________________________________ 43 Рис. 5. Структура алгоритма гомоморфной обработки сигналов георадара ___________________________________________ Результат обработки изображения (рис. 3), выполненной с помощью такой процедуры, пока- зан на рис. 6. Рис. 6. Фрагмент приповерхностной части радиолокационного изображения двухслойного участка при кепстральной обра- ботке отраженных сигналов Сравнение рис. 3 и 6 показывает, что границы приповерхностного слоя разрешены, чего практически невозможно достичь при кор- реляционно-экстремальных алгоритмах обработ- ки сигналов. Выводы. Результат обработки наглядно демонстрирует, что при относительно больших со- отношениях сигнал/шум нелинейная гомоморфная обработка сигналов позволяет повысить разреша- ющую способность георадара по глубине вплоть до 5 % от длительности импульса, что невозможно при применении традиционных спектрально- корреляционных алгоритмов. Однако следует учесть, что это оказывается возможным на неболь- шой глубине в приповерхностных слоях. Ограни- чения на разрешающую способность обусловлены тем, что скорость убывания огибающей кепстра сигнала является конечной величиной и при вре- менах задержки отраженного сигнала менее 5 % от длительности зондирующего импульса первый пик кепстра задержки оказывается скрытым под оги- бающей кепстра зондирующего сигнала. Еще один фактор, ограничивающий об- ласть применения алгоритма, обусловлен зависи- мостью всех входящих в соотношение (12) функ- ций от частоты. Очевидно, что высокачастотные компоненты кросс-кепстра в наибольшей степени подвержены маскированию помехой. Это обстоя- тельство накладывает серьезные ограничения на возможность применения кепстрального подхода к «сверхразрешению» приповерхностных слоев в случае явно выраженных многослойных структур с близко расположенными границами, поскольку периодический кепстр задержек отраженного сигнала быстро убывает вдоль трассы распро- странения сигнала. Один из возможных путей снижения вли- яния флуктуационных помех на процедуру иден- тификации границ отражающих подповерхност- ных структур состоит в предварительном, так называемом оконном, взвешивании функции ло- гарифма квадрата модуля спектра исходного сиг- нала. Эта процедура применяется перед примене- нием обратного преобразования Фурье. Однако при этом происходит снижение потенциальной разрешающей способности в зависимости от свойств выбранного окна. Несмотря на то, что результат достигает- ся за счет существенного усложнения процедуры обработки, такой подход имеет большое значение для ряда практических задач. Применение отно- сительно мощных по современным понятиям вы- числительных систем позволяет нивелировать этот недостаток и выполнять обработку сигналов в реальном масштабе времени. Использование георадаров со встроенной в программное обеспе- чение гомоморфной обработкой сигналов позво- лит сэкономить средства при проведении дорожно- ремонтных работ, строительстве новых дорог, при диагностике и неразрушающем контроле строительных конструкций и решении ряда дру- гих практически важных задач. Работа выполнена в рамках проекта «Радио- локационный мониторинг технического состоя- ния подповерхностной части инженерных соору- жений (2013–2015 гг.)» по программе НАН Укра- ины «Ресурс».  F   2 ))(Im( S   2 ))(Re( S   log  1 F Пороговое устройство Выходной сигнал Входной сигнал О. В. Сытник и др. / Алгоритм гомоморфной обработки… _________________________________________________________________________________________________________________ 44 Библиографический список 1. Вопросы подповерхностной радиолокации / под ред. А. Ю. Гринева. – М.: Радиотехника, 2005. – 416 с. 2. Финкельштейн М. И. Радиолокация слоистых земных по- кровов / М. И. Финкельштейн, В. Л. Мендельсон, В. А. Ку- тев. – М.: Сов. радио, 1977. – 176 с. 3. Биорадиолокация / под ред. А. С. Бугаева, С. И. Ивашова, И. Я. Иммореева. – М.: Из-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 396 с. 4. Masalov S. A. Wavelet UWB signal processing for underground sounding systems / S. A. Masalov, O. V. Sytnik, V. P. Ruban // Proc. Int. Conf. “Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals”. – Sevastopol, 2012. – P. 123–125. 5. Определение толщин слоев дорожной одежды методом георадиолокационного зондирования / Д. О. Батраков, А. Г. Батракова, Д. В. Головин и др. // Физические основы приборостроения. – 2012. – 3, № 2. – С. 46–56. 6. GPR for paverment monitoring [Electron resource] / G. P Pochanin, V. P. Ruban, P. V. Kholod et al. // J. of Radio Electron. – 2013. – N 1. – Mode of access: www/URL: http://jre.cplire.ru/alt/jan13/8/text.pdf. – Title from the screen. 7. Ulaby F. T. Microwave Remote Sensing Active and Passive. Vol. II. Radar Remote Sensing and Surface Scattering end Emission Theory / F. T. Ulaby, R. K. Moor, and A. K. Fung. – Reading, Massachusetts: Addison- Wesley, 1982. – 628 p. 8. Соок J. C. Proposed monocycle-pulse very high frequency radar for airborne ice and snow measurement / J. C. Соок // Trans. AIEE Commun. Electron. – 1960. – № 79. – P. 588–594. 9. Noll A. M. Cepstrupm Pitch Determination / A. Michel Noll // J. Acoust Soc. Am. – 1967. – 41, N 2. – P. 287–293. 10. Kemerait R. C. Signal detection and extraction by Cepstrum techniques / R. C. Kemerait, D. G. Childers // IEEE Trans. Inform. Theory. – 1972. – IT-18, N 1. – P. 745–759. 11. Hassah J. C. Time delay processing near the ocean surface / J. C. Hassah // J. Sounds and Vibration. – 1994. – 35, N 4. – P. 489–501. 12. Sytnik O. V. Textural Analysis of Cepstrum Images of Subsurface Structure / O. V. Sytnik // Telecommunications and Radio Engineering. – 2011. – 70, N 1. – P. 87–94. 13. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радио- техники: в 3 кн. – М.: Сов. радио, 1974–1976. – Кн. 1. – 550 с.; кн. 2. – 391 с.; кн. 3. – 285 с. 14. Репин В. Г. Статистический синтез при априорной неопреде- ленности и адаптация информационных систем / В. Г. Ре- пин, Г. П. Тартаковский. – М.: Сов. радио, 1977. – 432 с. 15. Ван Трис Г. Теория обнаружения оценок и модуляции: в 3 т. / Г. ван Трис; пер. с англ. – М.: Сов. радио, 1972–1977. – Т. 1. – 744 с.; Т. 2. – 343 с.; Т. 3. – 662 с. 16. Бронштейн И. Н. Справочник по математике / И. Н. Брон- штейн, К. А. Семендяев. – М.: Наука,1980. – 976 с. Рукопись поступила 27.10.2015. O. V. Sytnik, S. A. Masalov, G. P. Pochanin HOMOMORPHIC SIGNAL PROCESSING ALGORITHM OF GROUND PENETRATION RADAR The actual problem of measuring the thickness of the surface layers of the soil using GPR radar systems under stringent restrictions on the minimum length of a video pulse and under the presence of the noise caused by resonance effects in antenna and multiple reflections of the sounding signal from the boundaries between media has been studied. Traditional extreme correlation signal processing methods do not provide the resolution less than half of the total duration of the pulse. To overcome this limitation is possible by using nonlinear methods, for example the homo- morphic signal processing. The possibility of high resolution of subsurface stratified media boundaries by using non-linear homo- morphic digital signal processing of reflections is proved theoreti- cally and experimentally. The proposed method has used the non- linear spectrum transformation of ultra wideband sounding signals. It allows getting resolution approximately to 5 % of pulse duration instead of limitation of the traditional correlation method of signal processing. The FFT algorithm is used to calculate the amplitude spectrum of the signal, the result is subjected to logarithms and then the inverse Fourier transform is computed, to get a signal's cepstrum containing the probe signal and digital signal delay. The analysis of cepstrum at a relatively high signal to noise ratio allows one to calculate the estimate of the thickness of the layer. The results of simulations and experimental data processing are also shown. Key words: spectrum, cepstrum, ultra-wideband signal, ground penetrating radar, pulse, boundary between the media, fast Fourier transformation, amplitude spectrum, identification. О. В. Ситнік, С. О. Масалов, Г. П. Почанін АЛГОРИТМ ГОМОМОРФНОЇ ОБРОБКИ СИГНАЛІВ ГЕОРАДАРА У роботі досліджено актуальну проблему вимірю- вання товщини приповерхневих шарів зондованого середови- ща за допомогою георадарних радіолокаційних систем при жорстких обмеженнях на мінімальну тривалість зондуючого відеоімпульсу і наявності інтенсивних інтерференційних за- вад, зумовлених резонансними ефектами в антені та багато- разовими перевідбиваннями зондуючого сигналу від меж розділу середовищ. Традиційні кореляційно-екстремальні методи обробки сигналів не дозволяють отримати розділення менше, ніж половина сумарної тривалості імпульсу. Подолати це обмеження можливо застосуванням нелінійних методів гомоморфної обробки сигналів георадара. Теоретично та екс- периментально показано, що при застосуванні надширокосму- гових зондуючих сигналів нелінійна обробка відбитих від приповерхневих шарів середовища сигналів дає можливість ідентифікувати межі розділу структур на глибинах аж до 5 % від тривалості імпульсу. На основі методу кепстрального аналізу синтезований алгоритм обробки сигналів відеоімпульс- ного георадара. За допомогою швидкого перетворення Фур’є обчислюється амплітудний спектр сигналів, результат під- дається логарифмуванню, обчислюється обернене перетворен- ня Фур’є, яке містить кепстр зондуючого сигналу і дискрет- ний лінійчастий кепстр сигналу затримки, аналіз якого при відносно високих співвідношеннях сигнал/шум дозволяє об- числити оцінку товщини шару. Наведено результати моделю- вання. Обговорюється проблема впливу шумів на помилки ідентифікації підповерхневих об’єктів. Ключові слова: спектр, кепстр, надширокосмуго- вий сигнал, георадар, імпульс, межа розділу середовищ, швидке перетворення Фур’є, амплітудний спектр, іденти- фікація. http://jre.cplire.ru/alt/jan13/8/text.pdf

Алгоритм гомоморфной обработки сигналов георадара

Institution

Ähnliche Einträge