一个实验研究和概念评价Tree-Interior成像雷达使用正弦模板的主要算法

文摘

提出了一个算法检测腔内树体与模拟和测量的例子。成像算法的细节是基于正弦模板集中程序。首先,算法与模拟测试场景的完美模拟腔结构的重建与树体成功在MATLAB编程环境形成的。然后,该算法应用于测量数据被收集从一个实验室设置。收集背散射测量的树体结构(腔)用于生成图像场景的的帮助下,我们的算法。合成雷达图像的测量收集的数据从实验室安排显示发达的适用性tree-bodies内腔结构的检测算法。

1。介绍

空洞的检测或内腔tree-bodies在微波波段的决心不健康已经成为一个新兴技术和弱树(1,2]。每年世界各地的数十人被杀由于树事件下降和相关事件(1- - - - - -4]。尽管大多数的树木似乎健康和强壮的时候从外面看,不容易实现内部蛀牙的存在可能发生由于真菌和蠕虫攻击通过使用传统的方法如声学成像技术(5),电阻率测量方法(6),和thermographic检验(7]。众所周知的专家预计腐木有不同含水率和密度;因此,这部分的树体应该有不同的电特性,如介电常数和电导率(8]。最适用的方法是可以感知衰变的超声断层结构只有在特殊情况下(9]。这种技术利用木材的力学行为,通常描绘了一个强烈的各向异性,超声波脉冲被用于这样的不连续造成的空腔。另一方面,超声脉冲在木材通常强烈衰减;因此,这种方法需要高信号灵敏度和动态范围,同时获取和处理原始数据(10,11]。最近,使用obstacle-penetrating雷达技术来检测和图像蛀牙在树体日益得到关注由于雷达硬件和雷达信号处理技术的最新进展(12- - - - - -15]。它是由电磁(EM)著名的社区,微波成像技术提供高分辨率的优势特点和要求相对较小数量的权力渗透这些障碍。算法用于探地雷达(GPR) [16- - - - - -18)和through-wall-imaging-radar (TWIR) [19- - - - - -21]似乎这个特殊问题提供有价值的解决方案。同时,圆形拉东变换可以集中分散电场的机会收集的数据从一个圆测量设置为不同的应用程序(22]。

在这项工作中,我们提供了一个实用而且快速聚焦/迁移方法,可以方便地用于tree-interior成像雷达(TIIR)应用程序。TIIR我们提出一个概念性的研究提出一个成像/聚焦方法,专门针对这个特定应用程序并展示一个概念验证研究通过提供和评估相关的模拟和测量的结果从一个试验台。

本文的组织结构如下:在下一节中,我们提出我们的成像算法的步骤和细节的TIIR问题。在第三节中,该方法的有效性是第一个测试的帮助下用点散射体模型模拟数据生成。在下一节中,构造测量设置TIIR实验和模拟的试验装置和测量进行真正的树体与腔。结果在应用该方法。合成雷达图像的模拟和测量数据验证我们提出的算法的有效性和成功。在最后一部分,工作总结,讨论测量系统的适用性和评估算法。

2。成像/聚焦TIPR算法

的几何TIIR问题可以描述如图1树体的圆扫描指令天线总共不同look-aspects覆盖整个方位角度。扫描圆的半径 。的frequency-diverse背散射电场数据收集单站雷达的配置。对于任何点散射体, 被认为是内腔半径的周长 ;因此,一维(1 d)电场数据可以获得的天线地位

在这里, 是散射体和天线之间的距离是波数向量。这个结果是有效的,有以下假设:首先,我们假设电磁(EM)的各向同性的辐射波在树体的电磁波传播沿传播方向。这个假设通常是对腐朽的树木因为这种树木通常干在里面由于衰减现象。据报道,干木材材料的介电常数是1.4到2.9在实践中(23]。因此,腐烂树木的水分含量通常很低,不存在明显的各向异性的树体水分含量。这种情况下还能帮助雷达信号穿透树体更好的自相对电介电常数对比空气和树结构不高。其次,树体内部的散射结构被假定为代表的点散射体模型非常有效且在许多雷达常用的应用程序(24]。因此,近场边界条件的空隙和树体不实施。尽管这样的造型将提供一个更现实的表征,表面造型的空隙会相当复杂,产生一个非常复杂的电磁反射的计算。因此,我们遇到了一个更基本的和简化电磁散射的数值载荷计算模型,以缓解这个问题。此外,这样的研究的研究工作。然而,模型边界点如蛀牙与完美的点散射表面已经被证明是一个有效的方法计算从这样的边界在许多雷达散射问题[25,26]。第三,任何多径现象并不占所有雷达成像算法是基于只有单个反射的假设。

基于上述假设,(1)可以写成一个总和散射体,并提供一个二维(2 d)数据时要考虑不同的角度看,以下为有限数目的点散射这形成了树体: 在哪里 散射体之间的距离向量和整体的所有位置的雷达方位角观测角度的从来和是走的波数频率总共不同的频率。然后,和向量对应于笛卡尔的坐标天线位置,因此下面: 以一维(1 d)傅里叶反变换(IFT) (2)沿着空间频率轴,可以很容易地得到2 d射程角数据, 。在这个合成射程角数据,任何时候 展品的正弦行为360°方位角的变化因为循环扫描安排。

我们的检测和成像算法可以简要概括如下:(i)在获得2 d射程角背散射电场数据, ,我们选择一个图像窗口在2 d(范围、角)领域,覆盖整个几何。重要的是要注意,图像窗口的range-extent至少应大于或等于扫描的直径,也就是说, 。(2)接下来,我们反复挑选所有的点; 在选定的窗口。(3)然后,我们形成一个模板向量为每个角度看通过编写以下模板方程: (iv)之后,我们回到2 d 数据和选择数据点。在这一点上,一个精确的数据插值方案需要用来减少与数据相关的错误插值。(v)在最后的步骤中,我们将所有数据在这个模板向量和记录结果在一个新的2 d图像矩阵 的位置。新的,重建的图像数据 位置变成一个像素在最终的图像。算法先后在选中的图像窗口中继续,直到所有的点是通过算法。结果 矩阵是聚焦的图像。

3所示。仿真结果

上文介绍的算法最初是由模拟测试场景的说明图2。仿真场景是构建在MATLAB编程环境27)与前一节中列出的假设。能够测试和评估该技术的性能与理想条件,周边的树体(显示为黑点)被认为是组成的60完美的点散射的相同的反射振幅“1”,也就是说,独立的频率和相位。树体的半径为60厘米。在仿真,有两个空腔区域;一个是集中在 而另一个是位于 。两腔的形式被认为是圆直径8厘米,6厘米的第一和第二空白区域,分别。蛀牙的周长也被认为是完美的点组成的散射与EM的反射率“0.5”独立的频率和角度。树体的介电常数为1.65和假定为齐次树体中。雷达天线是定位在35厘米离开树的表面和沿着一个环形轨道共有360个不同的角度收集背散射数据。为每个角度看,frequency-diverse背散射电场是聚集了频率范围从1到100 GHz的总离散频率点。因此,背散射电场数据收集的2 d frequency-angle飞机的一个矩阵 点。

我们应用我们聚焦算法的步骤是基于数据的总和在正弦模板。在图3(一个),不同姿态矩阵的角度看, 获得的。我们有一些关于射程角观测原始数据图3(一个)如下:(i)圆形树体的距离最近的点散射几何显示为一条直线,因为扫描路径和树体圈的形式。这条线发生在一系列35厘米的距离。(2)散射的周长都蛀牙出来不同的正弦曲线振荡振幅由于不同的双向天线之间的距离和雷达的散射由于圆周运动,收集数据。事实上,这些振荡的振幅峰值正弦曲线取决于他们距离旋转的中心。我们的仿真例子,这些数字是4厘米和3厘米第一和第二腔,分别。射程角图像如图3(一个)正如我们所预期的完全展览这一行为。(3)正弦曲线的宽度代表腔的直径。从图,正弦行为8厘米的宽度和6厘米完全相同的实际直径值腔区域。(iv)的起点正弦行为实际上确定了空腔的确切位置:例如,如果正弦曲线从最大值,腔位于最近的指向天线的位置。如果最小值的正弦信号开始,然后,腔在离天线180°。(v)中心点的扫描将显示为一条直线在射程角的形象。因此,如果有一个小洞的中心,其形象是一个水平线之间的半波散射的远近点树体。(vi)第二直线大约95厘米射程角图像如图3(一个)对应于散射从多数树体。随着雷达绕一圈,距离的多数点树体保持不变在95厘米,它是获得图3(一个)。在分析了射程角图像如图3(一个)当然很多事实告诉我们,我们应用算法的步骤,最后集中的形象 获得,得到图吗3 (b)。从图清楚地看到,树体和空腔区域被成功合成集中图像的成像笛卡尔坐标在正确的位置上。当然,蛀牙的图像强度远小于树的表面由于电磁波的衰减 术语。

我们模拟合成图像的保真度相比其他方法如拉东变换(21)和超声波技术如下(9]:聚焦图像可以从拉东变换模拟方法获得,使用投影数据与操作的对象,但此方法需要复杂的计算获得最终的图像。因此,它的实现更加困难,需要更多的时间。超声波模拟方法还可用于成像,但这种方法的缺点是疲软的超声波信号能够穿透树体。确保所需的最小可检测信号电平,许多接收器通常需要沿着树体的周长。我们的方法更实用、快速迁移方法申请TIIR应用程序。

4所示。测量装置和实验结果

评估我们的TIIR检测/成像算法的有效性与真实的实验数据,我们构建了一个测量试验台在消声室梅尔辛大学先进技术研究中心(MEATRC)设施。的几何测量设置如图4。在这个设置中,矢量网络分析仪(VNA)(安捷伦ENA5071B)是利用生成/传输/接收雷达信号通过使用超宽波段双脊喇叭天线(UWB) [Geozondas GZ0126DRH]中使用的单站配置。天线1-26 GHz频率范围。在E平面天线的波束宽度37.7°1 GHz 22.4°8 GHz。把表与自动化软件来得到不同的角度看树体的概要文件。同时,电脑必须使用同步控制VNA和MATLAB的转台27)脚本。

提出了配置在图4一片松树的树干、外径约42厘米被用作目标成像。这棵树有一个空腔,其中心距树的中心约2厘米半径约11厘米,见图5(一个)。在开始实验之前,我们首先构造了一个近似的二维模拟测量,我们要做的可视化实验的结果,比较真实的实验,我们要进行。在图5 (b)的模拟实验是在MATLAB再次构建。我们的天线是假定为58厘米远离中心的树或36厘米远离树干的主体。树干和腔的几何构造按照如图的真实值5 (b)。

仿真,从1到8 GHz频率改变共有100个离散频率而看的角度也不同从1°- 360°共有361个不同的方面。树体的frequency-independent反射率振幅被选为“1”时的空腔被选为“0.1”来模拟电磁波的衰减,同时在树体旅行。2 d射程角数据运行仿真后呈现在图6(一)我们可以观察到不同的散射机制很容易:树体的反射显示为一条直线约36厘米的天线。前面,后面的空腔经历两个正弦信号沿整个方位看的角度不同。当然,后面的腔的反射强度小于前面点的腔由于电磁波的衰减与距离。应用正弦模板的聚焦算法后,TIIR图像的仿真实验是聚集,绘制图6 (b)。通过比较,这个数字与模拟几何图5 (b),你可以很容易地发现建议算法成功地形成了TIIR场景的图像具有良好的忠诚。

作为最后的研究中,我们进行了一个真正的through-the-tree-imaging-radar实验,见图5 (c)。实验与测量试验台进行了消声室MEATRC设施。在这个实验中,画面如图的树干5(一个)提出了转台。单站配置的天线位置见图5 (c)这样的相位中心测量设置58厘米距离扫描轴的树干就像类似于模拟。通过使用自动化软件,通过MATLAB脚本,把表已经转360°的全面方位覆盖1°的增量。为每个角度测量,VNA的频率改变了从1到100 GHz的离散频率点的模拟。因此,一个2 d分散电场矩阵, 的, 测量收集点。理论上可以实现的解析计算 厘米的带宽= 7 GHz和 (树干的相对电介电常数)。最大的范围是 厘米为离散频率点的数量 。

应用界面张力手术后沿频率轴,2 d range-aspect数据, 获得,绘制图6 (c)。我们可以注意到散射从树上的身体作为一个波浪线36至40厘米,因为树的周长并不是一个完美的圆。我们也注意到的散射腔,经历相同的行为树的身体看起来在测量角度不同。尽管树内的电磁波的衰减纹理看起来比我们预期的更强烈的模拟,我们仍然可以感觉散射能量的扰动由于存在空腔在50到70厘米范围的方向发展。接下来,我们使用基于正弦模板聚焦算法从range-aspect迁移数据域的图像域,这样我们获得最终TIIR树干如图的形象6 (d)。由于我们的算法的聚焦能力,树体的反射和谐振腔的周边被放大。因此,我们很容易注意到的边界阻抗变化从空气树体和树体空腔,反之亦然。视觉对比结果如图6 (d)(测量)和图6 (b)(模拟)与真正的树干在图的照片5(一个),一个可以清楚地意识到合成TIIR图像成功树体的几何形式和空腔在正确的位置,这样检测到树干内的空腔。

5。结论

在这项工作中,我们介绍了我们最近的工作tree-interior成像雷达的研究。在这个范围内,我们引入了一种新的算法基于原始数据的总和在正弦模板被有效地用于TIIR或类似的应用程序。该算法是专门为multiangle开发多频单站雷达设置循环扫描被测对象的几何。算法的细节有一起的假设。然后,该算法测试与仿真数据和真实的实验进行了梅尔辛大学MEATRC设施。模拟和TIIR图像的测量结果证明了该算法的有效性和成功在检测和本地化树体内部的空腔区域。

算法可以被修改,以包括速度的变化造成的影响树体内部的电磁波作为一个未来的研究。该算法也可以应用于类似的问题,如检测和成像乳腺肿瘤采用一个非常相似的几何数据收集。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作已经被科学研究理事会支持土耳其(图)2211 - d博士奖学金计划,由梅尔辛大学科研项目单位批准号软面包卷2015 - tp3 - 1158。作者也感谢梅尔辛大学MEATRC管理他们的帮助和支持,同时进行实验。

引用

1. j•法齐奥,“如何识别和预防危害树木,树城市美国15号公告国家植树节基金会,内布拉斯加州的城市,东北,美国,1989年。
2. j·阿尔伯斯和e·海耶斯如何检测,正确评估和风险树在休闲区、医嘱、圣保罗、MN、美国、1993。
3. a·布鲁克斯,“防止死亡和严重伤害树木和树枝,下降”澳大利亚的户外教育杂志》上,11卷,不。50 - 59岁,2,页2007。视图:谷歌学术搜索
4. j·瓦特和d . j .球,”树和损害的风险,报告国家树安全集团“林业委员会报告。米德尔塞克斯大学、苏格兰,2009年。视图:谷歌学术搜索
5. 诉Bucur,声学的木头美国佛罗里达州波卡拉顿,CRC总统,1995年。
6. 美国Al Hagrey电阻率成像的树干,“近地表地球物理,4卷,不。12日,第185 - 177页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. g系列、l . Palla和m . Catalano”热红外探测蛀牙在树上。”欧洲森林病理学杂志》上,20卷,不。4、201 - 210年,1990页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. a . Franchois”两个针叶树的微波介电常数的测量,IEEE地球科学和遥感,36卷,不。5,1384 - 1395年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 诉Bucur和i Bohnke实木超声波测量影响因素”,超声学,32卷,不。5,385 - 390年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. m .长谷川m .中国人j . Matsumura k Oda,”木属性的影响在软木within-tree超声波波速的变化,“超声学,51卷,不。3、296 - 302年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. h . Berndt a . p . Schniewind和g·c·约翰逊,“超声能量传播槽伍德:,,,多少”学报的Proc。12日Int。研讨会上木材无损检测的Sopron,页57 - 66年,2000年。视图:谷歌学术搜索
12. y周”,基于宽带微波成像范围配置文件”,电磁学研究快报的进展卷。19日,57 - 65,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. g . Lawday j . a . Dolwin d·朗斯代尔,j . R Barnett”开发利用应力波米,发现存在腐烂的木头块,”学报的Proc. 12日Int。研讨会上木材无损检测的9月,页187 - 196,Sopron,。视图:谷歌学术搜索
14. 诉Bucur”,高分辨率成像技术的木材结构:复习一下,”测量科学与技术,14卷,不。12日,R91-R98, 2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. b . Yilmaz、c·奥兹德米尔和s . Gokkan“聚焦tree-penetrating雷达成像算法:一个实验研究和概念评估,”《2016年17国际雷达研讨会(IRS),页1 - 4,克拉科夫,波兰,2016年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. j . r . Butnor j·a·杜利特尔·克雷斯,s .科恩和k·h·约翰森,“使用探地雷达的研究在美国东南部树根,”树生理,21卷,不。17日,第1278 - 1269页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. c·奥兹德米尔Ş。Demirci,大肠Yiǧit, b . Yilmaz“回顾迁移方法快地面穿透雷达成像,”数学问题在工程文章ID 280738卷,2014年,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. c·奥兹德米尔美国Demirci、大肠Yigit和A . Kavak“双曲求和方法集中快探地雷达图像:一个实验研究了频率系统”微波和光学技术的信件卷,49号3、671 - 676年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. b . YılmazŞ。Demirci、大肠Yiğit和c·奥兹德米尔,”一个终身穿过墙壁雷达信号检测、试验研究”学报Electromagn进展、研究研讨会(皮尔斯13),第1604 - 1602页,2013年。视图:谷歌学术搜索
20. m·g·阿明穿过墙壁雷达成像美国佛罗里达州,泰勒和弗朗西斯Bocaraton, 2010。
21. a . Muqaibel a . Safaai-Jazi Bayram,阿提亚a . m . s . m .利雅得,“超宽频穿过墙壁传播。”IEE Proceedings-Microwaves、天线和传播,卷152,不。6,581 - 588年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. n . j .整理和g . n . Newsam“反相循环氡转换”DTSO DTSO - rr - 0211研究报告,2001年8月。视图:谷歌学术搜索
23. http://web.hep.uiuc.edu/home/serrede/P435/Lecture_Notes/Dielectric_Constants.pdf。
24. c . Ozdemi逆合成孔径雷达成像与Matlab算法美国新泽西州霍博肯市约翰·威利的儿子,2012年。
25. r·巴拉,j·摩尔,h .凌,“全球复杂目标散射中心表示使用射击和弹跳射线技术,”IEEE天线和传播,45卷,不。12日,第1856 - 1850页,1997年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. c·奥兹德米尔、r . Bhalla)和h .凌”的辐射中心表示天线辐射模式在一个复杂的平台上,”IEEE天线和传播,48卷,不。6,992 - 1000年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. MATLAB、R2015a MathWorks公司,纳蒂克,妈,2015。

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