Способ идентификации скрытых объектов в грунте

Способ относится к обнаружению подповерхностных объектов методами оптической локации в инфракрасном диапазоне. В основе способа лежат физические принципы, основанные на различие ТФС грунта и скрытого в грунте объекта: при нагреве грунта тепловым излучением средствами инфракрасной термографии он либо быстрее нагревается либо быстрее охлаждается в зависимости от того материала, из которого сделан объект. Далее восстанавливают значения теплофизических свойств каждой точки моделируемого грунта. Для этого делают численное моделирование тепловых процессов, происходящих в грунте на основе данных натурных измерений средствами инфракрасной термографии. И на основании значений теплофизических свойств по глубине прогрева принимают решение о скрытом объекте в структуре грунта, используя математический аппарат обработки термограммы по времени и пространстве. Обрабатывая термограмму по алгоритму идентификации теплофизических свойств, можно сформировать тепловую томограмму (изображение, в котором каждый пиксель содержит значение теплофизических свойств объекта в пределах выделенного по глубине слоя). Способ позволяет определить глубину залегания объекта, его геометрические размеры, а на основании теплофизических свойств определить вид материала. Технический результат - обнаружение скрытых объектов, например мин, в грунте с использованием инфракрасной термографической съемки. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к обнаружению подповерхностных объектов методами оптической локации с применением авиационно-космической съемки земной поверхности в инфракрасном диапазоне волн. Изобретение может быть использовано для обнаружения и идентификации объектов, например мин, расположенных в глубине грунта, как при пассивном зондировании, так и при активном - путем нагрева поверхности почвы инфракрасным излучателем.

Известен способ идентификации комплекса теплофизических свойств твердых материалов [патент РФ 2303777], при котором осуществляют тепловое импульсное воздействие от линейного источника нагрева на поверхность исследуемого и эталонного образцов, измеряют избыточную температуру на поверхности образцов на фиксированном расстоянии от линии нагрева с момента подачи теплового импульса, осуществляют импульсное воздействие и измерение избыточной температуры в плоскости контакта исследуемого и эталонного образцов, а измерение избыточной температуры производят в одной точке в заданном интервале времени, используя математическую модель прямой задачи теплопроводности на основе метода конечных разностей.

Недостатком этого способа является невозможность реализовать задачу обнаружения скрытых объектов в грунте.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обнаружение скрытых объектов, например мин, в грунте с использованием инфракрасной термографической съемки.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе идентификации, при котором осуществляют тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева на поверхность грунта, измеряют избыточную температуру на поверхности грунта в заданном интервале времени, рассчитывают математическую модель прямой задачи теплопроводности на основе метода конечных разностей, дополнительно производят измерение избыточной температуры во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности грунта и применяют для восстановления температурного поля по глубине одномерную промежуточную сеточную функцию источника нагрева на поверхности грунта:

далее методом прогонки для каждой точки пространства вычисляют температуру на k+1 временном слое по глубине грунта:

при ,

в результате чего получают расчетную избыточную температуру рассчитывают во всем интервале времени измерений избыточную термограмму :

решают обратную коэффициентную задачу теплопроводности вариационным методом по невязке:

находят из минимума невязки искомые теплофизические свойства (ТФС) скрытого объекта a ₂, и глубину его залегания µ, а сигнал обнаружения получают на основе вычисления неравенства в каждой точке пространственной сетки поверхности грунта:

и по полученным расчетным значениям судят о наличии скрытого объекта:

- рассогласование среднего значения грунта и идентификации ТФС объекта;

- среднее значение ТФС грунта;

- среднее значение ТФС объекта;

H₁₍₂₎ - нижнее (верхнее) значение границы доверительного интервала ТФС грунта;

- линейный коэффициент зависимости теплофизических свойств от температуры, ;

a ₁ - температуропроводность грунта;

σ_i - регулирующий параметр, ;

λ₁ - теплопроводность грунта;

a ₂ - температуропроводность скрытого объекта;

λ₂ - теплопроводность скрытого объекта;

- сеточная функция;

n - номер отсчета для сеточной функции;

x - координата по глубине грунта;

k - номер отсчета по времени;

h - шаг сетки по расстоянию;

Δτ - шаг сетки по времени;

E - плотность теплового потока, отнесенная к единице площади поперечного сечения пространственной сетки и выраженная в Вт/м²;

α - коэффициент теплоотдачи, отнесенный к единице площади поперечного сечения пространственной сетки и выраженный в Дж/(м²·К);

τ - текущее время, отсчитываемое от момента начала теплового воздействия;

τ^* - длительность теплового воздействия;

τ_e - время окончания измерений, ;

µ₁₍₂₎ - координаты глубины залегания скрытого объекта, ;

J - невязка;

- значение избыточной температуры, рассчитанное дискретной математической моделью с учетом скрытого объекта.

β_1,2 - постоянные модели, учитывающие релаксацию теплового потока (см. Ищук И.Н. Профилирование глубины с помощью оптико-электронной системы тепловой подповерхностной локации / И.Н.Ищук, А.И.Фесенко, А.С.Скрипкин // Радиотехника. - 2008. - № 5. - С.61-65).

Способ осуществляют на основании следующих рассуждений.

Поверхность грунта нагревают в течение заданного времени тепловым потоком от инфракрасного нагревателя, а с помощью средств инфракрасной термографии измеряют избыточные температуры на поверхности грунта в заданном интервале времени. Данный физический процесс в одномерном пространстве можно описать математической моделью нелинейной задачи теплопроводности с учетом теплообмена грунта с окружающей средой:

, ,

граничные условия:

где - температура поверхности исследуемого образца; - ступенчатая функция.

Нелинейную задачу теплопроводности (9) при граничных условиях (10) решают методом конечных разностей. Разностная схема для одномерного уравнения теплопроводности имеет вид (3). Граничные условия аппроксимируют на основании выражения:

полученного с помощью метода теплового баланса. При этом Е и отнесены к единице площади поперечного сечения пространственной сетки и выражены в Вт/м² и Дж/(м²·К).

На фиг.1 представлена пространственная сетка математической модели.

На фиг.2 представлены графики изменения избыточной температуры, где кривая 1 - в кварцевом песке находится теплоизоляционный материал - полиспен (α₂=1·10^-7 ; λ₂=0,028 Вт·м^-1К^-1) толщиной 1,2 см; кривая 2 - в кварцевом песке находится теплопроводящий материал - железо (а ₂=60·10^-7 м²с^-1; λ₂=48 Вт·м^-1К^-1) толщиной 1.2 см; кривая 3 - без заглубленного в песке материала.

На фиг.3 представлено распределение температур по глубине x, где кривая 1 соответствует теплоизоляционному материалу (полиспен); кривая 2 соответствует теплопроводящему материалу (железо); кривая 3 соответствует случаю отсутствия скрытого в песке материала.

При непосредственном зондировании грунта приборами инфракрасной термографии измеряют избыточные значения температур в интервале времени [0,τ^*], после чего в каждой точке зондируемой поверхности грунта рассчитывают во всем интервале времени измерений избыточную термограмму между ее абсолютным значением в интервале [0,τ_e] и начальным значением в момент времени Таким образом получают тепловую томограмму, идентифицируют теплофизические свойства и глубину скрытого объекта на основании невязки (7). Численное решение задачи идентификации теплофизических свойств по невязке (7) производится каким- либо из вариационных методов исчисления.

Рассматривая тепловую томограмму как некоторое множество точек двумерного пространства на поверхности грунта (исследуемого материала), квантованную на пиксели i, j, в каждой точке тепловой томограммы решают задачу обнаружения согласно неравенству (8). Каждый элемент нового двумерного множества будет принимать значения, равные 0 либо 1, при обнаружении скрытого объекта. Совокупность значений 1 будет характеризовать образ обнаруженной и распознаваемой цели.

Результаты эксперимента показали, что в кварцевом песке на глубине 1 см обнаруживался скрытый подповерхностный объект, выполненный из алюминия, при нагреве грунта в течение 90 с и последующем остывании в течении 90 с. Изменения термограмм на поверхности фона исследуемой модельной ситуации велись с использованием тепловизора THERMACAM SC 3000 На фиг.4 представлена термограмма на стадии нагрева в момент времени τ=90 с. На фиг.5 представлена термограмма на стадии остывания в момент времени τ=160 с. При обработке термограмм (зона 1, фиг.4, 5) в диапазоне от 0 до 180 с на основе выражений 4-7 получено изображение обнаруженного объекта, которое представлено на фиг.6. При этом среднее значение теплопроводности объекта составило 38,2 Вт/м К, что соответствует классу материалов типа металл.

Способ идентификации скрытых подповерхностных объектов в грунте, при котором осуществляют тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева на поверхность грунта, измеряют избыточную температуру на поверхности грунта, рассчитывают математическую модель прямой задачи теплопроводности на основе метода конечных разностей, отличающийся тем, что производят измерение избыточной температуры во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности грунта (кварцевый песок) при нагреве грунта в течение 90 с и последующем остывании в течение 90 с и применяют для восстановления температурного поля по глубине прогрева одномерную промежуточную сеточную функцию источника нагрева на поверхности грунта:



далее методом прогонки для каждой точки пространства вычисляют температуру на (κ+1)-м временном слое по глубине прогрева грунта:


при
в результате чего получают расчетную избыточную температуру
рассчитывают во всем интервале времени измерений [0,τ_e] избыточную термограмму :

решают обратную коэффициентную задачу теплопроводности вариационным методом по невязке:

находят из минимума невязки искомые теплофизические свойства (ТФС) скрытого объекта а ₂, λ₂ и глубину его залегания µ, а сигнал обнаружения получают на основании вычисления неравенства в каждой точке пространственной сетки поверхности грунта

принимают решение об обнаружении скрытого подповерхностного объекта, выполненного из алюминия (теплопроводящий материал) или полиспена (теплоизоляционный материал);
идентифицируют обнаруженный скрытый подповерхностный объект на основании установенного класса;
- рассогласование среднего значения ТФС грунта и объекта;
- среднее значение ТФС грунта;
- среднее значение ТФС объекта;
I - решение об обнаружении на основе ТФС;
H_i(2) - нижнее (верхнее) значение границы интервала значений ТФС грунта;
K_ja, K_jλ - линейный коэффициент зависимости теплофизических свойств от температуры, ;
а ₁ - температуропроводность грунта;
λ₁ - теплопроводность грунта;
а ₂ - температуропроводность скрытого объекта;
λ₂ - теплопроводность скрытого объекта;
- сеточная функция;
n - номер отсчета для сеточной функции;
x - координата по глубине грунта;
k - номер отсчета по времени;
σ_i - регулирующий параметр, ;
h - шаг сетки по расстоянию;
Δτ - шаг сетки по времени;
Е - плотность теплового потока, отнесенная к единице площади поперечного сечения пространственной сетки, Вт/м²;
α - коэффициент теплоотдачи, отнесенный к единице площади поперечного сечения пространственной сетки, Дж/(м²·К);
τ - текущее время, отсчитываемое от момента начала теплового воздействия;
τ^* - длительность теплового воздействия;
τ_е - время окончания измерений;
µ₁₍₂₎ - координаты глубины залегания скрытого объекта, µ₂>µ₁;
J - функционал невязки;
Т(а ₁,λ₁,а ₂,λ₂,µ,τ) - значение избыточной температуры, рассчитанное дискретной математической моделью с учетом сеточной модели скрытого объекта.