Akna- és Robbanószerkezetek Polgári és Katonai célú detektálására irányuló kutatási-fejlesztési pályázat
TECH-09-A5-2009-0073, akna 2009-12-13
„Műegyetemi” Természet és Sporttudományi Közhasznú Egyesület
III.
kutatási szakasz rövid összefoglalója
A TÁVÉRZÉKELÉS ÚJABB LEHETŐSÉGEI AZ AKNAKUTATÁSBAN
A távérzékelés információk gyűjtése az elektromágneses sugárzás segítségével olyan módon, hogy közvetlenül nem érintkezünk a vizsgált objektumokkal. Ez teszi több más módszer mellett alkalmassá olyan körülmények közötti kutatásokra, ahol a kutató személye veszélyeknek van kitéve (aknakutatás). Először tekintsük át röviden az EM spektrum tulajdonságait. Elektromágneses sugárzást minden, az abszolút 0 fok feletti objektum, jelenség kibocsát magából. Ennek oka gyakorlatilag a belső hőmozgásban keresendő. Ennek a sugárzásnak, mint ismeretes kettős tulajdonsága van. Részben hullámjellegű, de hogy megértsük a geometriai adatgyűjtés (pontos lokalizálás) menetét, az EM sugárzás másik tulajdonságát, a részecske tulajdonságot használjuk. Ez azt jelenti, hogy az elektromágneses sugárzás anyagi természetű is. Tehát a sugárzás egységnyi mennyiségekben egyenes irányban terjed egészen addig, míg ezt a mozgást külső körülmények nem befolyásolják. Így megmagyarázhatjuk azokat a fontos jelenségeket, mint például vetítősugarak, törés, energiaszint, stb.
A távérzékelésben fontos hullámjellemző a hullámhossz, ami az egyik rezgésmaximumtól a másikig való távolságot jelenti. A frekvencia (rezgésszám), ami adott idő alatti, adott ponton megjelenő rezgésmaximumok száma (esetünkben a hullámhossz reciproka). Számunkra legelőnyösebb az EM spektrum rendszerezése a hullámhossz szerint, mivel a vizsgált jelenségek jórészt hullámhossz függőek, illetve a távérzékelés műszereinek felépítése, alkalmazási lehetőségeik szintén erősen függenek tőle.
Multispektrális leképezés
Az úgynevezett multispektrális leképezés, fényképezés azért alakult ki, mert az álcázó festékek képessé váltak a hagyományos filmek színkombinációiban az élő növényzet hatását kelteni mind a látható, mind a közeli (fotográfiai) infravörös tartományban. Jelenleg is komoly probléma, hogy környezetünk objektumainak visszavert sugárzási görbéiben előforduló kis hullámszélességű, de nagy amplitúdójú összetevőket kihasználva különbséget tudjunk tenni "látszatra" hasonló jelenségek között is, amit a közvetlenül a felszín alá teleptett objektumok esetében is felhasználhatunk. Az előzők alapján ezt teszi lehetővé a multispektrális (MS) leképezés, akár repülőgépről, akár mesterséges holdról. Legelterjedtebb típusuk az úgynevezett soros érzékelő, melynek alapelve a következő. Mivel a fejlődés lehetővé tette azt, hogy nagyszámú detektort kapcsoljanak össze egy sorrá, ez azt jelenti, hogy adott körülmények között több ezer elemi érzékelőt lehet összefűzni, ami által egyszerűsödik a képalkotó optika, és sorokon belül legalább megvalósul az egyidejű képalkotás (nagy felbontásban) (1. ábra).
E szerint a képalkotás egyik összetevője, a sorok képzése egy optikán (általában tükör) keresztül bejutó fénynyalábbal zárszerkezet beiktatásával a fókuszsíkban lévő nagyszámú (1000-5000 db) detektorral oldható meg. Ezek a detektorok alkotják azt a felületet, amelyek jeléből egy képsor kialakul. A képfelület a hordozóeszköz előremozgásával jön létre. Ennek a következő előnyei vannak. Csökkennek a geometriai torzulások, és mivel a detektorsor adat-kiolvasási sebessége nagyobb, mint egy letapogató tükör forgási sebessége, ezért nő a repülési irányú felbontóképesség is. A soros érzékelőknek van még egy előnye. A terepet letapogató tükör itt gyakorlatilag felszabadul, tehát alkalmas lesz meghatározott terepszakaszokra való orientálásra. Ezzel pedig sztereó-kiértékelést hajthatunk végre, vagy a képek készítési periodicitását lehet növelni (Pl. SPOT-HRV rendszer). Az MS rendszerek, mint képalkotó rendszerek egy szélesebb terepszakaszról adnak folyamatos, összefüggő képeket 5-6 csatornán, így ezek feldolgozásával gyorsan lehatárolhatók a bolygatott, részletesebb vizsgálatra szoruló területek, illetve alacsony repülés esetén még az alacsony, gyepszintű növényzettel borított felszínen is eredményesen kutathatók a telepítések nyomai.
Aktív lézer-szkennerek
Az aktív lézer szkennerek (LIDAR) alapötlete szintén régebbi keletű, de a nagypontosságú alkalmazását csak az újabb helymeghatározó technológiák (GPS) bevezetése után valósíthatták meg. A módszer alapötlete a geodéziában ismert poláris helymeghatározáson alapszik. Ha ugyanis egy pontból (repülőeszköz) meg tudjuk mérni valamely tereppont távolságát és nadírszögét, akkor hozzá képest egyértelmű koordináta-meghatározás lehetséges a rendszer működési síkjában. A műszernek természetesen aktív elvűnek kell lenni, hogy a kibocsátott jelek futási idejét mérhessük. Egy valamilyen hullámhosszúságú lézersugár zárszerkezeten keresztül egy, a pásztázó rendszerekhez hasonló módon működő tükörre jut, amelyik segítségével letapogatja keresztirányban a felszínt. A terepről visszavert sugárzás egy detektorba jut, majd egy adatképző műszerbe. Itt megtörténik a távolságok számítása, az amplitúdó (feketedés) rögzítése.
A gond a repülőgép helyzetének (vetítési centrum koordinátái, külső tájékozási elemek) ismeretével van. Mivel a folyamat folytonos leképezésű, ezért szükség van e paraméterek folyamatos ismeretére. Ezt csak a GPS berendezésekkel lehet nagy pontossággal meghatározni, gyakorlatilag utólagos feldolgozással. Ilyen módon végül is létrejön a terepszakasz 3D-s modellje (2. ábra). Az eljárás gyorsan fejlődik, létrehozták a földfelszínen működő típusait is. Legnagyobb probléma a leképezéseknél a különböző takarásokkal van. Ezt sztereo jellegű felvételekkel küszöbölhetik ki, természetesen a pontosság csökkenésével.
Mivel a LIDAR nagyon rövid hullámhosszakon dolgozik (800-1200 nm), ezért a lézer távolságmérő képessége nagyon jó. Elmondható, hogy levegőből alkalmazva megfelelő geometriai feldolgozás után a szétválasztó-képessége (geometriai felbontás) néhány cm-t is elér. Ebből a végleges képeken minden olyan jelenség jól detektálható, melynél az egynemű terepen ilyen néhány cm-es kiemelkedések találhatók, például szabályosan telepített aknák. Ez a jelenség önmagában is produkálhat eredményt, de amennyiben friss telepítésről van szó, a megelőző időszak felvételeit integrálva a telepítés utánival, a markáns különbségek (fizikailag elszíneződések) akár az ilyen kis mértékben is megbolygatott felszínt jelentik. Természetesen mindezekhez pontos geometriai előfeldolgozás szükséges.
Hiperspektrális műszerek
Vannak olyan távérzékelő műszertípusok, amelyek a sávos letapogatású képalkotás folyamán nagyon sok (esetenként több száz) spektrális sávban, csatornán veszik az információt, ezzel a kiértékelés széles skáláját alakítva ki. Ezeknek az úgynevezett hiperspektrális műszereknek alapelve a következő. Egy optikai rendszeren és zárszerkezeten keresztül a bejutó fényt egy keskeny rés szabályozza. Ezzel elérhető, hogy egy expozíciónál csak a repülésre merőlegesen egy keskeny terepsáv vegyen részt a további képalkotásban. A sáv képe egy hajlítórácsra (prizmarendszerre) jut, amely minden egyes tereppont képét színeire bontja. A szétbontott spektrum (repülési irányban) és a terepsáv képe (keresztirányban) alkotja ezután a hozzájuk szerkesztett detektormátrixon megjelenő képet (3. ábra). Ebből az következik, hogy minden egyes expozíciónál (újabb képsáv letapogatásánál) egy teljes mátrixot kell kiolvasni a műszerből. Ez azzal jár, hogy a CCD-mátrix mérőkamaráknál néhány százszorosan gyorsabban kell az adatkiolvasást elvégezni, ami a mai technológiai szinten is nagy problémákat okoz. További, meggondolásra igényt tartó tulajdonság, hogy az így elkészülő képsorozat nagyon sok redundanciát tartalmaz, a spektrális viszonyok változása a gyakorlatban nem igényli a módszert. Ennek ellenére a módszer perspektivikusnak tekinthető, különösen olyan feladatoknál, ahol nincs tisztázva teljesen a vizsgálandó objektum spektrális viselkedése, illetve az objektum és környezete közel azonos jelenségeket produkál. Ilyen például a homokfelszín alá telepített akna, vagy régebbi telepítés esetén az őt fedő növénytakaró kismértékű elváltozása.
A mikrohullámú távérzékelő rendszerek (térképező radarok)
A mikrohullámú távérzékelő eszközök kifejlesztése az optikai és infravörös módszerekkel párhuzamosan, ezeket kiegészítve történt. Az első mikrohullámú, távérzékelésre is alkalmas rendszerek már a második világháború után megjelentek. Alkalmazásuk előnye, a használat napszaktól való függetlensége és az időjárástól való csökkent függés már ekkor megmutatkozott. A mikrohullámú tartományban dolgozó távérzékelő eszközöknek két nagyobb csoportját különböztetjük meg, a passzív és az aktív eszközöket. A passzív mikrohullámú rendszerek a terep (környezet) saját mikrohullámú sugárzását érzékelik és mérik. Elsődleges feladatuk a hőmérséklet és nedvességtartalom meghatározása, illetve a terep-azonosítás. Az aktív műszerek a saját maguk által kibocsátott EM sugárzás visszaverődésének mérésével következtetnek bizonyos információkra. A terep érdességének, nedvességtartalmának vizsgálatától, a növényzet állapotán keresztül a terep topográfiai kutatásáig nagyon sok területet felölel alkalmazási körük. A távérzékelésben a legfontosabb mikrohullámú adatforrások a térképező radar-rendszerek. Összefoglaló néven oldalra néző radaroknak (SLR vagy SLAR) nevezzük őket, mert ahhoz, hogy jó minőségű képet szolgáltassanak, a repülési útvonal mellett, arra merőlegesen kell a terepet letapogatniuk.
Valós nyílásfelületű radar (SLAR-RAR)
A térképező radarok legkorábbi, és egyben legegyszerűbb típusa a valós nyílásfelületű radar (RAR). Alapelve a következő: Egy adó-vevő antenna a repülőgép haladási irányára merőlegesen mikrohullámú impulzust bocsát ki, majd a visszavert jeleket érzékeli. A visszaverődés függőleges sávját mindkét irányban korlátozzák. A hordozóeszköz alatti területről össze-vissza kaotikusan jönnek a jelek (a kis távolságkülönbségek és az impulzus hossza miatt), ezért itt a vételt szüneteltetik. A másik oldalon a visszavert jelek energiaszintje már úgy csökken, hogy nem lehet egyértelmű azonosítást végrehajtani, ezért korlátozzák a maximális terepi távolságot. Maga a végleges képjel egy bonyolult modulációs-demodulációs folyamat végterméke. Tekintsük át, hogy történik ebből a képalkotás (5. ábra). A radareszköz a repülőgép haladásával szinkronban újabb és újabb impulzussal sugározza be a terepet. Egy besugárzás végigsöpör a területen, és a soronkénti képalkotásra a visszaérkező jelek futási idejének különbségeit használja fel. A kép repülési irányú összetevőit az egymás után következő sorok alkotják.
Mivel ezek szerint a képek folyamatos képalkotással készülnek, így a geometriai feldolgozásuk nehézkes (véletlenszerű hibákkal terheltek). Annyi a RAR-felvételek javára írható, hogy a hordozóeszköz külső tájékozási elemei közül a repülési tengely körüli forgásnak nincs hatása a geometriára, ez csak intenzitási problémákat okoz. Mindezek ellenére a RAR-felvételeknek sok előnye van. Az egyik a kvázi időjárás-függetlenség, a másik a (csekély) lehatolási lehetőség a talajba, a harmadik pedig talán a legjelentősebb, hogy (a felbontóképesség függvényében) az esetleges bolygatás, telepítés hatására bekövetkező bármilyen talajszerkezeti és dielektromos változás a felvételeken kimutatható.
Szintetikus (összetett) nyílásfelületű radar (SAR)
A valódi nyílásfelülettel dolgozó, a repülési irányú felbontóképességet ebből levezető úgynevezett RAR térképező radarok (noha rengeteg újszerű információt szolgáltatnak a felszínről, és részben a felszín alól) legnagyobb problémája a repülési irányú felbontóképesség. Itt ugyanis a pixel méretét az antenna vízszintes nyílásszöge adja, ami az antenna hosszának és megmunkálásának függvénye. A gond az, hogy a nyílásszög miatt a távolabbi területek felbontóképessége rohamosan csökken (szélesebb területről jön vissza egy jel). Ebből következik, hogy a RAR berendezéseket csak repülőgépekről lehet használni, műhold-pályáról a repülési irányú pixel-méretek akár kilométer nagyságrendűek is lehetnek.
Azért, hogy a felbontóképesség csökkenésének problémáját megoldják, létrehozták az úgynevezett összetett nyílásfelületű radarokat (SLR-SAR). Ezek, noha jóval bonyolultabbak, drágábbak, egyre inkább terjednek. A SAR-eljárás a következő. A mikrohullámú impulzus a RAR-módszerekhez hasonlóan oldalirányban besugározza a terepet. Most azonban nem törekednek a lehető legkeskenyebb nyílásszög létrehozására. De a jelek vételénél nem csak az átlagos (a pixelméretet meghatározó egész terepelemre vonatkozó) futási időt és amplitúdót rögzítik, hanem a terepelemről beérkező jel fáziskülönbségét is (csak koherens hullámok esetén). Így egy képpont (adatkép-pont) gyakorlatilag a tereppont fázisképe. A latapogatási irányban a képrögzítés a RAR-hoz hasonló. A következő besugárzás nagy átfedéssel történik, így egy-egy tereppont mindaddig részt vesz a képalkotásban (adatkép), ameddig besugárzás éri. Az eltérés a fáziskülönbségek változásából adódik, hiszen a repülőgép közben elmozdult a terepponthoz képest. Ilyen módon a létrejött adatkép repülési irányban (az azonos ferde távolságok mentén) fázisképként, kvázi hologramként viselkedik (4. ábra).
Az adatképből az "igazi" képet bonyolult matematikai vagy optikai eljárásokkal vezetik le, amely hasonló a hologram-képekből való látványkép előállításhoz. Ennek az utófeldolgozással létrehozott képnek az előnyei a következők: Belátható, hogy ugyan a repülési sávhoz közelebb a valódi (besugárzott) terepi pixelek kisebbek, de távolabb egy tereppont több adatkép-pont létrehozásában vesz részt. Ebből egyszerűsítve az következik, hogy súlyuk hasonló lesz a képalkotásban. A gyakorlat azt mutatja, hogy az így levezetett képek keresztirányú felbontóképessége a ferde távolság gyökével növekszik, és a hullámhossz függvénye (nem függ a nyílásszögtől). Ha még figyelembe veszik azt is, hogy a terepi pixeleken belül egy pont fáziskülönbsége távolságkülönbséget jelent (és ez a leképezésre hatással van), akkor bonyolult számítások után a felbontóképesség nem változik és csak az antenna méretétől függ. Az ilyen feldolgozottságú (fókuszált) kép levezetett pixeleinek felbontása tehát független a repülési magasságtól, műholdpályáról is jó minőségű adatokat szolgáltat.
Itt megemlítendő egy nagy előny. Noha a leképezés folyamatos, és elvileg terhelt véletlenszerű geometriai hibákkal, ez a torzulási folyamat mégsem következik be. A SAR esetében mivel fázismérésről van szó, ezért a hordozóeszköz véletlenszerű elfordulása, dőlése(normális esetben) nincs hatással a leképezési geometriára Ugyanis az antenna nyílásszöge által meghatározott területről úgy érkeznek vissza jelek, hogy egy elemre vonatkoztatva a mért fáziskülönbségek sorozata (doppler-frekvencia) először csökken a nulláig, majd növekszik. A doppler nulla-jel megfelel a repülésre merőleges iránynak. Addig nincs baj ameddig ez, noha a doppler-spektrum eltolódik, kisebb, mint a nyílásszög fele. Ezután még ezt a spektrumot szűrik és a repülési irányra merőleges keskeny sávban hozzák létre a rögzítésre kerülő jelcsoportot. Emiatt a teljes képterület gyakorlatilag a véletlenszerű hibáktól mentes lesz, sík terület esetén térképként használható.
A SAR felvételek felhasználása a közvetlenül a felszín alatt elhelyezkedő objektumok felismerésére viszonylag egyszerű is lehet. Mivel egy tárgy óhatatlanul megváltoztatja a felette lévő talaj víztartalmát, elektromos tulajdonságait, ezért (sajnos a felbontóképesség függvényében) ez a különbség a képen láthatóvá válik. Ha hosszabb hullámot alkalmazunk, a sugarak képesek még hazánkban is a pár cm-es mélységbe való behatolásra, így az ott elhelyezkedő tárgyak közvetlenül láthatóvá válnak. Van azonban az eljárásnak egy még nagyobb előnye. Mivel az eredeti távérzékelt anyag gyakorlatilag fázisképek összege, ezért egy viszonylag bonyolult trükkel azonnal kimutathatók a terepi változások. Hozzátehetjük, hogy a hullámhossz (1-10 cm) miatt a fázisrögzítés felbontása ennek tört része, így elvileg az 1 cm-en belüli magassági elmozdulások is kimutathatók. Két ilyen fázisképet felhasználva, ezek integrációja fáziskülönbségeket hoz létre, melyekből kimutathatók ezek a kis különbségek is. A módszert InSAR-nak nevezik. Az eljárás tehát részben a változások nagyon kis mértékének kimutatására alkalmasak, részben a felszíni elváltozások kutatására, részben pedig a kevéssel a felszín alatti objektumok közvetlen felderítésére.
Szemléltető videók:
[FMP poster=”http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/Akna01_thumb1.jpg” width=”320″ height=”240″]http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/Akna01.flv[/FMP] [FMP poster=”http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/IR_3D_30perc_thumb1.jpg” width=”320″ height=”240″]http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/IR_3D_30perc.flv[/FMP]
[FMP poster=”http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/IR_30perc_thumb1.jpg” width=”320″ height=”240″]http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/IR_30perc.flv[/FMP] [FMP poster=”http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/Kompozit-video-pokkal_thumb1.jpg” width=”320″ height=”240″]http://pannonpalatinus.hu/wp-content/uploads/2012/01/Kompozit-video-pokkal.flv[/FMP]
A Műegyetemi Egyesület kutató csoportja a programban arra keresete a választ, hogy milyen lehetséges módon lehet a veszélyes és sok esetben nem hatékony, korábban a földbe rejtett robbanószerkezeteket elektromágneses sugárzással feltárni, pozícionálni és esetlegesen megsemmisíteni. A program teljes mértében támaszkodott a távérzékelés ismert tudományos alapjaira, amit ki lehetett egészíteni egy kevéssé használt elektromágneses tartomány beiktatásával, amely az infravörös tartomány 6000-14.000 nm tartományába esik. Az elméleti kutatások, valamint az elő tesztelések több mint biztatóak voltak. A kezdeti deszkamodell jellegű detektor-informatikai rendszerek az előzetes elvárásoknak megfelelően elvárt jelrendszert, sőt értelmezhető vizuális képet is adotak.
A kutatási program hipotézise beigazolódott és a kísérleti berendezésekkel készített felvételek azt mutatták, hogy elégséges és jól mérhető jelek foghatóak passzív leképezéssel is. A kutatási program összefoglaló értékelése alapján azt mondhatjuk, hogy leraktuk az alapjait egy sajátos távérzékelési módszernek, amely a jövőben a rutinszerűen alkalmazható robbanóanyagok felismerésére és pozicionálására is alkalmas lehet.
Szemléltető képek a kutatási programból:
