Использование голографических подповерхностных радиолокаторов для обследования объектов культурного наследия

А.С. Бугаев; С.И. Ивашов; В.В. Разевиг

doi:10.18127/j20700784-202110-02

Использование голографических подповерхностных радиолокаторов для обследования объектов культурного наследия

А.С. Бугаев¹, С.И. Ивашов², В.В. Разевиг³

обзорная статья УДК 621.396.962.21 Страницы: 24-38 doi.org/10.18127/j20700784-202110-02

¹ Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет) (г. Долгопрудный, Московская область, Россия)
^2,3 МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

Ключевые слова: Объекты культурного наследия человечества неразрушающий контроль подповерхностная радиолокация радиовидение радиоголография

Аннотация

Постановка проблемы. Повышенное внимание в настоящее время к сохранению и, когда в этом возникает необходимость, реставрации объектов культурного наследия человечества требует разработки и внедрения новых технических средств диагностики и неразрушающего контроля. Одним из таких средств, нашедшем в последние годы широкое применение, особенно в археологии, являются подповерхностные радиолокаторы, работающие в СВЧ- и радиодиапазонах. Классические подповерхностные радиолокаторы, использующие импульсные сигналы, позволяют зондировать грунты до глубин в 10 м, но их разрешение явно недостаточно для многих практических приложений. Альтернативой их использованию являются голографические подповерхностные радиолокаторы с непрерывным излучением, которые, хотя и уступают импульсным по глубине зондирования, находят применение в обследовании строительных конструкций, объектов культуры, а также неразрушающем контроле диэлектрических композиционных материалов, используемых в аэрокосмической промышленности и других областях. Цель. Рассмотреть технологию создания голографических подповерхностных радиолокаторов и ее применение для обследования объектов культурного наследия человечества, а также провести численное моделирование задачи обнаружения ранее неизвестных полостей в теле пирамиды Хеопса.

Результаты. Рассмотрены примеры использования подповерхностной радиоголографии для обследования объектов культуры и археологических артефактов. Приведены результаты численного моделирования по обнаружению полостей в теле пирамиды Хеопса в радиодиапазоне с учетом влияния плоскости поляризации излучаемого сигнала. Выполнен анализ ограничений данного метода, связанных со свойствами исследуемой среды и размерами объекта.

Практическая значимость. Результаты расчетов и экспериментов помогут определить дальнейшее направление исследований и расширить области использования радиоголографии при обследовании объектов культурного наследия человечества.

Поступила: 25.08.2021
Одобрена: 10.09.2021
Принята: 27.09.2021

Для цитирования

Бугаев А.С., Ивашов С.И., Разевиг В.В. Использование голографических подповерхностных радиолокаторов для обследования объектов культурного наследия // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. T. 75. № 10. С. 24–38. DOI: https://doi.org/ 10.18127/j20700784-202110-02

Список источников

Finkelstein M.I. Subsurface radar // Telecomm. Radio Eng. Part 2. V. 32. 1977. P. 18–26.
Daniels D.J. Surface-penetrating radar. Pub. by IEE. London. 1996.
Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация / Под ред. М.И. Финкельштейна. М.: Радио и связь. 1994.
Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии / Под ред. М.И. Финкельштейн. М.: Недра. 1986.
Ivashov S.I., Razevig V.V., Vasiliev I.A., Zhuravlev A.V., Bechtel T.D., Lorenzo Capineri Holographic Subsurface Radar of RASCAN Type: Development and Applications // IEEE Journal of Selected Topics in Earth Observations and Remote Sensing. V. 4. № 4. December 2011. P. 763–778. DOI: 10.1109/JSTARS.2011.2161755.
Gabor D. A new microscopic principle // Nature. 161. 1948. P. 777–778. DOI: 10.1038/161777a0.
Junkin G., Anderson A.P. Limitations in microwave holographic synthetic aperture imaging over a lossy half-space // Communications, Radar and Signal Processing. IEE Proceedings F. V. 135. № 4. August 1988. P. 321–329. DOI: 10.1049/ip-f-1.1988.0039.
Razevig V.V., Ivashov S.I., Vasiliev I.A., Zhuravlev A.V., Bechtel T., Capineri L. Advantages and Restrictions of Holographic Subsurface Radars. Experimental evaluation // Proceedings of the XIII International Conference on Ground Penetrating Radar, Lecce, Italy. 21–25 June 2010. P. 657–662. DOI:10.1109/ICGPR.2010.5550241.
Лаборатория дистанционного зондирования RSLab. URL: http://www.rslab.ru/russian/product
Ivashov S.I., Razevig V.V., Sheyko A.P., Vasilyev I.A. A Review of the Remote Sensing Laboratory's Techniques for Humanitarian Demining // Proceedings of International Conference on Requirements and Technologies for the Detection, Removal and Neutralization of Landmines and UXO, EUDEM2-SCOT-2003. 15–18 September 2003. Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium. V. 1. P. 3–8.
Song X.J., Su Y., Huang C.L., Lu M., Zhu S.P. Landmine Detection with Holographic Radar // 16th International Conference of Ground Penetrating Radar (GPR 2016). Hong Kong. 13–16 June 2016. P. 1–4. DOI: 10.1109/ICGPR.2016.7572660.
Pochanin G., Capineri L., Bechtel T., Ruban V., Falorni P., Crawford F., Ogurtsova T., Bossi L. Radar Systems for Landmine Detection: Invited Paper // 2020 IEEE Ukrainian Microwave Week (UkrMW), Kharkiv, Ukraine. 2020. P. 1118–1122. DOI: 10.1109/UkrMW49653.2020.9252789.
Ivashov S.I., Makarenkov V.I., Razevig V.V., Sablin V.N., Sheyko A.P., Vasiliev I.A. Concrete floor inspection with help of subsurface radar // Eight International Conference on Ground-Penetrating Radar, GPR'2000. May 23–26, 2000. University of Queensland, Gold Coast, Queensland, Australia. P. 552–555. DOI: 10.1117/12.383629.
Ivashov S.I., Razevig V.V., Zhuravlev A.V., Bechtel T., Chizh M.A. Comparison of Different NDT Methods in Diagnostics of Rocket Cryogenic Tanks Thermal Protection Coating // 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), Tel-Aviv, Israel. 2019. P. 1–5. DOI: 10.1109/COMCAS44984.2019.89581577.
Kharkovsky S., Zoughi R. Microwave and millimeter wave nondestructive testing and evaluation // IEEE Instrum. Meas. Mag. April 2007. 10(2). P. 26–38. DOI: 10.1109/MIM.2007.364985.
Zhang X., Liang J., Wang N., Chang T., Guo Q., Cui H. Broadband Millimeter-Wave Imaging Radar-Based 3-D Holographic Reconstruction for Nondestructive Testing // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. March 2020. V. 68. № 3. P. 1074–1085. DOI: 10.1109/TMTT.2019.2948349.
Capineri L., Falorni P., Borgioli G., Bulletti A. et al. Application of the RASCAN holographic radar to cultural heritage inspections // Archaeological Prospection. 2009. 16. P. 218–230. DOI: 10.1002/arp.360.
Zhuravlev A., Razevig V., Chizh M., Ivashov S. Imaging of concealed objects on moving persons by creating synthetic aperture due to their natural motion // Proceedings of the IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2017). Tel-Aviv, Israel. 13–15 November 2017. P. 1–4. DOI: 10.1109/COMCAS.2017.8244743.
Razevig V., Ivashov S., Chizh M., Zhuravlev A., Capineri L. Influence of Electrical Properties of Media on Reconstruction of Microwave Holograms Recorded by Subsurface Radar // 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS). Tel-Aviv, Israel. 2019. P. 1–5. DOI: 10.1109/COMCAS44984.2019.8958377.
Razevig V., Ivashov S., Vasiliev I., Zhuravlev A. Comparison of Different Methods for Reconstruction of Microwave Holograms Recorded by the Subsurface Radar // Proceeding of the 14th International Conference on Ground Penetrating Radar. 4–8 June 2012. Shanghai, China. P. 335–339. DOI: 10.1109/ICGPR.2012.6254884.
Chaban A., Deiana R., Tornari V. Wall Mosaics: A Review of On-Site Non-Invasive Methods, Application Challenges and New Frontiers for Their Study and Preservation // Journal of Imaging. 2020. 6(10). 108. DOI: 10.3390/jimaging6100108.
Capineri L., Falorni P., Ivashov S. et al. Combined holographic subsurface radar and infrared thermography for diagnosis of the conditions of historical structures and artworks // Near Surface Geophysics. 2010. 8. P. 355–364. DOI: 10.3997/18730604.2010005.
Razevig V.V., Ivashov S.I., Sheyko A.P., Vasilyev I.A., Zhuravlev A.V. An example of holographic radar using at restoration works of historical building // Progress In Electromagnetics Research Letters. V. 1. P. 173–179, 2008. DOI: 10.2528/PIERL07120603.
Ivashov S., Capineri L., Bechtel T., Razevig V., Zhuravlev A., Falorni P. Use of holographic subsurface radar analysis in the preservation and restoration of cultural heritage objects // Surface Topography: Metrology and Properties. 2019. V. 7. № 4. 045017. P. 1–11. DOI: 10.1088/2051-672X/ab4fa2.
Bechtel T., Capineri L., Falorni P. and etc. Detection of Latent Damage from Insect Activity in Wooden Structures through the Use of Holographic Subsurface Radar // In PIERS Proceedings, Marrakesh, Morocco. March 2011. P. 95.
Capineri L., Zandonai F., Inagaki M., Razevig V. et al. RASCAN holographic radar for detecting and characterizing dinosaur tracks // Proceedings of the 2013 7th International Workshop on Advanced Ground-Penetrating Radar. July 02–05, 2013. Nantes, France. P. 71–76. DOI: 10.1109/IWAGPR.2013.6601553.
Inagaki M., Bechtel T., Capineri L., Ivashov S., Windsor C. A small difference of permittivity observed in a holographic radar image of dinosaur footprints // Conference: Society of Exploration Geophysics Japan, Tokyo, Lapan, Volume: 128th Conference, Spring 2013, June. P. 117–120. URL: https://jglobal.jst.go.jp/detail?JGLOBAL_ID=201302261927363642.
Galton P.M., Farlow J.O. Dinosaur State Park, Connecticut, USA: History, footprints, trackways exhibits // Zubia. Nr. 21. 2003. P. 129–174.
Ivashov S., Razevig V., Zhuravlev A., Chizh M., Bechtel T., Capineri L., Inagaki M. MW Holographic Imaging System for Detection of Hidden Dinosaur Tracks // The 38th PIERS in St Petersburg, Russia, 22–25 May, 2017. P. 3241–3246. DOI: 10.1109/PIERS.2017.8262316.
Luca Bossi, Pierluigi Falorni, Colin Windsor et al. The imaging of subsurface crocodile remains in a limestone slab using holographic radar // GPR 2020 – 18th International Conference on Ground Penetrating Radar, Golden, Colorado USA. June 14–19. 2020. P. 6–9. DOI: 10.1190/gpr2020-003.1.
Kunihiro Morishima, Mitsuaki Kuno, Akira Nishio et al. Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons // Nature, 21 December 2017. V. 552. P. 386–390. DOI:10.1038/nature24647.
Ivashov S., Bechtel T., Razevig V., Capineri L., Inagaki M. A proposed radar method for non-destructive investigation of Egyptian pyramids // Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. January 2021. V. 63. № 1. P. 12–19. DOI: 10.1784/insi.2021.63.1.12.

[1] Finkelstein M.I. Subsurface radar // Telecomm. Radio Eng. Part 2. V. 32. 1977. P. 18–26.

[2] Daniels D.J. Surface-penetrating radar. Pub. by IEE. London. 1996.

[3] Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутев В.А., Метелкин В.Н. Подповерхностная радиолокация / Под ред. М.И. Финкельштейна. М.: Радио и связь. 1994.

[4] Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного подповерхностного зондирования в инженерной геологии / Под ред. М.И. Финкельштейн. М.: Недра. 1986.

[5] Ivashov S.I., Razevig V.V., Vasiliev I.A., Zhuravlev A.V., Bechtel T.D., Lorenzo Capineri Holographic Subsurface Radar of RASCAN Type: Development and Applications // IEEE Journal of Selected Topics in Earth Observations and Remote Sensing. V. 4. № 4. December 2011. P. 763–778. DOI: 10.1109/JSTARS.2011.2161755.

[6] Gabor D. A new microscopic principle // Nature. 161. 1948. P. 777–778. DOI: 10.1038/161777a0.

[7] Junkin G., Anderson A.P. Limitations in microwave holographic synthetic aperture imaging over a lossy half-space // Communications, Radar and Signal Processing. IEE Proceedings F. V. 135. № 4. August 1988. P. 321–329. DOI: 10.1049/ip-f-1.1988.0039.

[8] Razevig V.V., Ivashov S.I., Vasiliev I.A., Zhuravlev A.V., Bechtel T., Capineri L. Advantages and Restrictions of Holographic Subsurface Radars. Experimental evaluation // Proceedings of the XIII International Conference on Ground Penetrating Radar, Lecce, Italy. 21–25 June 2010. P. 657–662. DOI:10.1109/ICGPR.2010.5550241.

[9] Лаборатория дистанционного зондирования RSLab. URL: http://www.rslab.ru/russian/product

[10] Ivashov S.I., Razevig V.V., Sheyko A.P., Vasilyev I.A. A Review of the Remote Sensing Laboratory's Techniques for Humanitarian Demining // Proceedings of International Conference on Requirements and Technologies for the Detection, Removal and Neutralization of Landmines and UXO, EUDEM2-SCOT-2003. 15–18 September 2003. Vrije Universiteit Brussel, Brussels, Belgium. V. 1. P. 3–8.

[11] Song X.J., Su Y., Huang C.L., Lu M., Zhu S.P. Landmine Detection with Holographic Radar // 16th International Conference of Ground Penetrating Radar (GPR 2016). Hong Kong. 13–16 June 2016. P. 1–4. DOI: 10.1109/ICGPR.2016.7572660.

[12] Pochanin G., Capineri L., Bechtel T., Ruban V., Falorni P., Crawford F., Ogurtsova T., Bossi L. Radar Systems for Landmine Detection: Invited Paper // 2020 IEEE Ukrainian Microwave Week (UkrMW), Kharkiv, Ukraine. 2020. P. 1118–1122. DOI: 10.1109/UkrMW49653.2020.9252789.

[13] Ivashov S.I., Makarenkov V.I., Razevig V.V., Sablin V.N., Sheyko A.P., Vasiliev I.A. Concrete floor inspection with help of subsurface radar // Eight International Conference on Ground-Penetrating Radar, GPR'2000. May 23–26, 2000. University of Queensland, Gold Coast, Queensland, Australia. P. 552–555. DOI: 10.1117/12.383629.

[14] Ivashov S.I., Razevig V.V., Zhuravlev A.V., Bechtel T., Chizh M.A. Comparison of Different NDT Methods in Diagnostics of Rocket Cryogenic Tanks Thermal Protection Coating // 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), Tel-Aviv, Israel. 2019. P. 1–5. DOI: 10.1109/COMCAS44984.2019.89581577.

[15] Kharkovsky S., Zoughi R. Microwave and millimeter wave nondestructive testing and evaluation // IEEE Instrum. Meas. Mag. April 2007. 10(2). P. 26–38. DOI: 10.1109/MIM.2007.364985.

[16] Zhang X., Liang J., Wang N., Chang T., Guo Q., Cui H. Broadband Millimeter-Wave Imaging Radar-Based 3-D Holographic Reconstruction for Nondestructive Testing // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. March 2020. V. 68. № 3. P. 1074–1085. DOI: 10.1109/TMTT.2019.2948349.

[17] Capineri L., Falorni P., Borgioli G., Bulletti A. et al. Application of the RASCAN holographic radar to cultural heritage inspections // Archaeological Prospection. 2009. 16. P. 218–230. DOI: 10.1002/arp.360.

[18] Zhuravlev A., Razevig V., Chizh M., Ivashov S. Imaging of concealed objects on moving persons by creating synthetic aperture due to their natural motion // Proceedings of the IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2017). Tel-Aviv, Israel. 13–15 November 2017. P. 1–4. DOI: 10.1109/COMCAS.2017.8244743.

[19] Razevig V., Ivashov S., Chizh M., Zhuravlev A., Capineri L. Influence of Electrical Properties of Media on Reconstruction of Microwave Holograms Recorded by Subsurface Radar // 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS). Tel-Aviv, Israel. 2019. P. 1–5. DOI: 10.1109/COMCAS44984.2019.8958377.

[20] Razevig V., Ivashov S., Vasiliev I., Zhuravlev A. Comparison of Different Methods for Reconstruction of Microwave Holograms Recorded by the Subsurface Radar // Proceeding of the 14th International Conference on Ground Penetrating Radar. 4–8 June 2012. Shanghai, China. P. 335–339. DOI: 10.1109/ICGPR.2012.6254884.

[21] Chaban A., Deiana R., Tornari V. Wall Mosaics: A Review of On-Site Non-Invasive Methods, Application Challenges and New Frontiers for Their Study and Preservation // Journal of Imaging. 2020. 6(10). 108. DOI: 10.3390/jimaging6100108.

[22] Capineri L., Falorni P., Ivashov S. et al. Combined holographic subsurface radar and infrared thermography for diagnosis of the conditions of historical structures and artworks // Near Surface Geophysics. 2010. 8. P. 355–364. DOI: 10.3997/18730604.2010005.

[23] Razevig V.V., Ivashov S.I., Sheyko A.P., Vasilyev I.A., Zhuravlev A.V. An example of holographic radar using at restoration works of historical building // Progress In Electromagnetics Research Letters. V. 1. P. 173–179, 2008. DOI: 10.2528/PIERL07120603.

[24] Ivashov S., Capineri L., Bechtel T., Razevig V., Zhuravlev A., Falorni P. Use of holographic subsurface radar analysis in the preservation and restoration of cultural heritage objects // Surface Topography: Metrology and Properties. 2019. V. 7. № 4. 045017. P. 1–11. DOI: 10.1088/2051-672X/ab4fa2.

[25] Bechtel T., Capineri L., Falorni P. and etc. Detection of Latent Damage from Insect Activity in Wooden Structures through the Use of Holographic Subsurface Radar // In PIERS Proceedings, Marrakesh, Morocco. March 2011. P. 95.

[26] Capineri L., Zandonai F., Inagaki M., Razevig V. et al. RASCAN holographic radar for detecting and characterizing dinosaur tracks // Proceedings of the 2013 7th International Workshop on Advanced Ground-Penetrating Radar. July 02–05, 2013. Nantes, France. P. 71–76. DOI: 10.1109/IWAGPR.2013.6601553.

[27] Inagaki M., Bechtel T., Capineri L., Ivashov S., Windsor C. A small difference of permittivity observed in a holographic radar image of dinosaur footprints // Conference: Society of Exploration Geophysics Japan, Tokyo, Lapan, Volume: 128th Conference, Spring 2013, June. P. 117–120. URL: https://jglobal.jst.go.jp/detail?JGLOBAL_ID=201302261927363642.

[28] Galton P.M., Farlow J.O. Dinosaur State Park, Connecticut, USA: History, footprints, trackways exhibits // Zubia. Nr. 21. 2003. P. 129–174.

[29] Ivashov S., Razevig V., Zhuravlev A., Chizh M., Bechtel T., Capineri L., Inagaki M. MW Holographic Imaging System for Detection of Hidden Dinosaur Tracks // The 38th PIERS in St Petersburg, Russia, 22–25 May, 2017. P. 3241–3246. DOI: 10.1109/PIERS.2017.8262316.

[30] Luca Bossi, Pierluigi Falorni, Colin Windsor et al. The imaging of subsurface crocodile remains in a limestone slab using holographic radar // GPR 2020 – 18th International Conference on Ground Penetrating Radar, Golden, Colorado USA. June 14–19. 2020. P. 6–9. DOI: 10.1190/gpr2020-003.1.

[31] Kunihiro Morishima, Mitsuaki Kuno, Akira Nishio et al. Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons // Nature, 21 December 2017. V. 552. P. 386–390. DOI:10.1038/nature24647.

[32] Ivashov S., Bechtel T., Razevig V., Capineri L., Inagaki M. A proposed radar method for non-destructive investigation of Egyptian pyramids // Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring. January 2021. V. 63. № 1. P. 12–19. DOI: 10.1784/insi.2021.63.1.12.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи