Разработка математического обеспечения для решения задачи классификации подповерхностных объектов по сигналам геолокатора

• Автор: Соколов, Максим Александрович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 153 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Сверхширокополосная гсолокация. Задачи обработки сигналов

1.1. Принципы геолокации

1.2. Аппаратура геолокатора.

1.3. Сверхширокополосные сигналы

1.4. Описание отраженных сигналов.

1.5. Задачи обработки сигналов

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. Методы обнаружения и выделения подповерхностных объектов

2.1. Метод динамического вычитания

2.2. Метод прецизионного согласования.
2.3. ауе1еЕпрсобразование в задачах обработки сигналов
2.3.1. Основные свойства ае1еСпреобразования
2.3.2 Дискретизация непрерывного ууае1е1иреобразования.
2.3.3. Вычисление гауе1е1преобразования
2.3.4. ауе1е1преобразование инвариантное относительно сдвига.
2.3.5. Подавление случайного шума.
2.4. Адаптивный алгоритм совместного обнаружения и выделения подповерхностных объектов на основе ае1еЕпреобразования.
2.5. Экспериментальные исследования на модели сигналов геолокатора
2.6. Выводы.
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ I ПРИЗНАКОВОГО 1ИСАНИЯ
3.1. Признаковое описание на основе представления пространственновременного сигнала в виде полутонового изображения
3.1.1. Методы сегментации изображений.
3.1.2. Формирование признакового описания сегментированных изображений
3.2. Признаковое описание на основе гаге1е1преобразования сигнала
3.2.1. Частотновременные распределения
3.2.2 Сигнатура псевдомощности.
3.2.3. Аппроксимация сигнатуры с помощью сингулярного разложения
3.2.4. Получение сигнатуры псевдомощности с помощью метода проекций
3.3. Выводы
ГЛАВА 4. Методы классификации подповерхностных объектов.
4.1. Постановка задачи.
4.1.1. Оценка уровня ошибки системы классификации. Кроссвалидация
4.2. Методы агрегации
4.2.1. Метод большинства голосов.
4.2.2. Метод шаблонов решений
4.3. Выбор признаков и снижение размерности
4.3.1. Методы последовательного выбора признаков.
4.3.2. Выбор структуры двухуровневого классификатора на основе генетических алгоритмов
4.4. Классификаторы.
4.4.1. Линейный дискриминант
4.4.2. Классификаторы на основе кластеранализа.
4.4.3. Классификатор на основе искусственных нейронных сетей
4.4.4. Классификаторы на основе деревьев решений
4.4.5. Классификатор на основе метода опорных векторов
4.5. Выводы.
ГЛАВА 5. Программные системы обработки сигналов гсолокатора.
5.1. Интегрированная система Гео.
5.1.1. Модуль Спектрашная обработка.
5.1.2. Модуль Динамическое вычитание.
5.1.3. Модуль Прецизионное вычитание.
5.1.4. Модуль Сегментация изображений
5.1.5. Модуль Преобразование изображений.
5.1.6. Модуль Моделирование сигналов геолокатора.
5.2. Программа классификации подповерхностных объектов, предназначенная для работы в приборе.
ГЛАВА 6. Эксперименты по обнаружению, выделению и классификации подповерхностных объектов.
6.1. Эксперименты по обнаружению и выделению подповерхностных объектов
6.2. Эксперименты по классификации подповерхностных объектов
6.2.1. Информативность признаков.
6.2.2. Исследование частных классификаторов
6.2.3. Исследование двухуровневого классификатора
6.3. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Системы подповерхностного зондирования (геолокадии) используются для исследования подповерхностного слоя суши и дна пресных водоемов [7, 9, ]. Они мо1уг использоваться для решения широкого круга прикладных задач, в частности, задач по обнаружению и распознаванию подповерхностных объектов. Такие задачи возникают, например, при оценке состояния заглубленных инженерных коммуникаций и сооружений, исследования состояния дорожных покрытий, железнодорожных насыпей и др. Подповерхностное радиолокационное зондирование основано на облучении поверхности земли короткими (от 1 до 0 не) радиоимпульсами и получении отраженных сигналов от границ раздела сред с разными электрофизическими свойствами. Приборы, реализующие такое зондирование, называют геолокаторами. В геолокаторах преимущественно используется одноиозиционное зондирование с использованием стандартного для решаемой задачи сигнала. Это снижает трудоемкость топографической привязки при измерениях и временные затраты. В результате радиолокационного зондирования получаются радиопрофили, т. Общим для современных геолокаторов является использование сверхширокополосных (СШП) зондирующих сигналов - сигналов, для которых ширина спектра соизмерима со средней частотой. Особенности теоретического описания таких сигналов изложены в монографии [7]. Выделение СШП сигналов в отдельный класс сигналов обусловлено особенностями их теоретического описания, спецификой используемых схемотехнических решений при создании аппаратуры, самостоятельными областями эффективного применения и специальными способами компьютерной обработки. Это определяет реальность создания портативных геолокаторов для решения широкого круга задач (возможно, с различными комплектами генераторов и антенн). В общем случае отклик зондируемой неоднородной среды на радиолокационный сигнал связан с несколькими физическими эффектами: отражением, рассеянием, преломлением и поглощением зондирующего излучения, а также с изменением фазовой скорости его распространения. Характеристики отклика - амплитуда, длительность и форма принятого СШП сигнала - являются результатом комбинированного воздействия указанных эффектов. Расширение полосы частот определяет возможность получения дог юл н ител ы юй и нформ ации. Проникающая способность СШП геолокаторов варьируется от нескольких сантиметров до десятков метров. СШП геолокатор способен обнаруживать практически любые объекты, диэлектрическая проницаемость которых отличается от диэлектрической проницаемости вмещающей среды. Это могут быть как различные полости, так и металлические и неметаллические объекты. В этой связи очень важной становится задача обработки сигналов СШП геолокатора с целью обнаружения и классификации объектов, представляющих интерес. Геолокаторы малой глубины зондирования (0,5 - 5 м) решают задачи контроля состояния железобетонных конструкций и аэродромных покрытий, железнодорожных насыпей, поиска и контроля состояния подземных коммуникаций (труб, кабелей, дренажа и т. Геолокаторы средней глубины зондирования (5 - м) предназначены для обнаружения и определения геометрии подповерхностных сооружений, определения границ геологических объектов и водных горизонтов. Геолокаторы большой глубины зондирования (более м) используются для поиска и определения размеров геологических объектов. Известны многочисленные зарубежные комплекты аппаратуры для геолокации: Terrascan производства Microwave Associates, США; георадары серии SIR различных модификаций в зависимости от класса решаемых задач производства Geophysical Survey Systems Inc. США; System IV производства Radar Exploration Systems, США; Georadar YL-R2 производства OYO Corporation, Япония и другие. Записи сигналов, которые анализироватись в данной работе, были получены с помощью геолокагора Тео-3", разработанного в ОАО "Радиоавионика". В таблице 1. Внешний вид типичного геолокатора представлен на рис. Структурная схема геолокатора, с помощью которого были получены оцифрованные сигналы, подлежащие дальнейшей обработке, представлена на рис. Таблица 1. Рис.