В состав программного комплекса ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ входит
стандартный набор методов редактирования и обработки георадиолокационных
данных, применяемых в профессиональном программном обеспечении.
Наряду со стандартными методами, в программном комплексе
реализованы специализированные алгоритмы, разработанные для ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ.
Данные алгоритмы обеспечивают повышение разрешающей способности сигналов
георадиолокационных профилей и эффективное подавление сложных видов помех.
Повышение разрешения сигналов с помощью вейвлет-преобразования
Разрешающая способность сигналов георадиолокационной трассы
определяется частотными характеристиками антенны и передающе-приёмного тракта
георадара, которые формируют эффективную полосу частот и, соответственно,
эффективную длительность зондирующего импульса. Вейвлет-преобразование
позволяет повысить разрешение сигналов на этапе камеральной обработки за счёт
адаптивного выделения и усиления высокочастотных компонент.
При вейвлет-преобразовании георадиолокационная трасса
представляется в виде набора волновых компонент - вейвлетов, локализованных во
времени и по частоте, близких по виду к зондирующему импульсу. Каждая
компонента характеризует вклад определённого диапазона частот на
соответствующем интервале временной оси. В результате формируется двумерное
представление «время–уровень разложения», в котором уровни разложения
соответствуют различным диапазонам частот.
Исключение низкочастотных уровней разложения с последующим
восстановлением сигнала приводит к уменьшению длительности отражений и
повышению чёткости границ раздела сред на георадиолокационном профиле. Побочные
осцилляции при этом, как правило, выражены слабее, поскольку преобразование и
фильтрация выполняются локально по времени, в отличие от классической частотной
фильтрации на основе преобразования Фурье.
На рисунке ниже
представлен георадиолокационный профиль, полученный георадаром с частотой 400
МГц при исследовании автомобильной дороги в продольном направлении и результат
вейвлет-преобразования этого профиля.
Результат
вейвлет-преобразования демонстрирует улучшенную временную локализацию отражений
от слоёв дорожной конструкции по сравнению с исходными данными. На рисунке
слева представлен частотный спектр сигналов исходного профиля, справа - спектр
после обработки. После применения преобразования спектр сигналов
характеризуется увеличенной полосой частот и смещением центральной частоты,
значение которой возросло в 1.8 раза – с 273 МГц до 505 МГц.
Повышение разрешения сигналов методом B-Detector
Метод B-Detector (Boundaries Detector) разработан для
программного комплекса ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ с целью подавления помех и повышения
разрешения сигналов георадиолокационного профиля на этапе камеральной
обработки. В основу метода положена свёртка георадиолокационной трассы с
коротким высокочастотным импульсом; частотный диапазон импульса выбирается выше
основной полосы исходных сигналов.
На рисунке представлен
георадиолокационный профиль, рассмотренный выше. Профиль
записан георадаром с центральной частотой антенны 400 МГц при исследовании
автомобильной дороги в продольном направлении. Ниже показан результат обработки
данного профиля методом B-Detector.
Результаты применения метода демонстрируют улучшенную
временную локализацию отражений от слоёв дорожной конструкции по сравнению как
с исходными данными, так и с результатами обработки методом
вейвлет-преобразования. Нижняя граница асфальтобетонного покрытия, положение
которой в конечной части профиля составляет 0.2 м, уверенно прослеживается на
всём его протяжении.
На рисунке слева
представлен частотный спектр сигналов исходного профиля, справа — спектр после
обработки. В результате использования метода B-Detector наблюдается
значительное увеличение ширины спектра сигналов и центральной частоты, значение
которой возросло в 4.7 раза — с 273 МГц до 1283 МГц.
Дополнительным преимуществом метода является выравнивание
фазы сигналов, что упрощает их прослеживание и автоматизированную пикировку
границ раздела сред, которая реализована в ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ.
Программное повышение
разрешающей способности позволяет преодолеть компромисс между разрешением и
глубинностью георадиолокационного исследования. Применение
вейвлет-преобразования и метода B-Detector для обработки данных, полученных
низкочастотными антеннами, повышает детализацию радарограмм до уровня,
сопоставимого с высокочастотными антеннами. Тем самым расширяется круг задач,
решаемых с помощью низкочастотных антенн, включая задачи, для которых ранее
требовалась более высокочастотная георадиолокация.
Объединение результатов
обработки
Каждый из применяемых методов
повышения разрешающей способности сигналов обладает своими преимуществами. В
рассматриваемом примере результат, полученный методом B-Detector, обеспечивает
более точную локализацию нижней границы асфальтового покрытия, которая уверенно
прослеживается на всём протяжении георадиолокационного профиля. При этом
границы, залегающие глубже, отображаются более фрагментарно. На профиле,
обработанном с использованием вейвлет-преобразования, граница асфальтового
покрытия выражена менее локализовано, однако нижележащие границы
визуализируются более целостно.
Для совмещения преимуществ обоих
подходов, в ГЕОРАДАР-ЭКСПЕРТ реализована функция объединения результатов
обработки в единый георадиолокационный профиль. Для рассматриваемого примера верхняя
часть профиля при объединении формируется по данным, обработанным методом
B-Detector, а нижняя часть — по данным, обработанным методом
вейвлет-преобразования.
В результате объединения
обеспечивается единая временная и пространственная привязка отражений, что
снижает разброс в позиционировании подповерхностных объектов. Ниже показаны
результаты обработки профиля, полученного при обследовании дорожной конструкции
георадаром 400 MHz: сверху — после повышения разрешающей способности методом B-Detector,
посередине — после применения вейвлет-преобразования; внизу — результат объединения
двух профилей.
На
результирующем профиле достигается оптимальная визуализация границ слоёв
дорожной конструкции: слоя асфальтового покрытия, щебёночного и песчаного слоёв.
Функция объединения также может применяться при обработке и интерпретации
данных многоканального георадара, при котором за один проход несколькими
антеннами регистрируются несколько профилей.