Плахтій В. А. Надширокосмугові електромагнітні поля в задачах розпізнавання підповерхневих об’єктів штучними нейронними мережами

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної проблеми – експериментальному та теоретичному дослідженню процесів випромінювання та поширення нестаціонарних електромагнітних полів у шаруватих середовищах, їх дифракція на підповерхневих об’єктах, прийому відбитих хвиль та розпізнавання цих об’єктів і їхнього місця розташування за допомогою штучних нейронних мереж. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає у таких її результатах: 1. Вперше показано, що актуальним значенням ближньої границі дальньої зони є те, що спостерігається в момент проходження тієї частини імпульсу, що має найбільше інформаційне навантаження, найбільшу швидкість зміни в точці прийому. 2. Вперше вдалось докорінним чином покращити формування хвилі у ближній зоні імпульсного випромінювача електричного типу, розташовуючи в ній випромінювач магнітного типу. Перевагою такого комбінованого випромінювача, надширокосмугового аналога антени Клевіна, є ефективне формування в невеликому фізичному об’ємі імпульсної хвилі з малими післяімпульсними коливаннями без застосування додаткових штучних омічних втрат, що є актуальним для її застосування для різних задач, в тому числі передачі інформації та зондування. 3. Шляхом зшивання компонент поля у часовому просторі вперше вдалося у першому наближенні отримати аналітичні вирази для відбитого поля і поля, що пройшло в середовище. Продемонстрована можливість формування «електромагнітного снаряду» у середовищі, що опромінене імпульсною електромагнітною хвилею надкороткої тривалості. 4. Запропоновано нову методику розрахунку похибки визначення комплексної діелектричної проникності при порівнянні розрахункової та виміряної баз даних. 5. Вперше показано порівнянням ШНМ та методів кореляції для розпізнавання кутів, що штучні нейронні мережі можуть продемонструвати кращу точність, ніж кореляційний підхід. Надійним є використання ШНМ до значення ССШ = 10 дБ та вище і методу взаємної кореляції для ССШ = 20 дБ та вище. Але навіть для ССШ = 0 дБ ШНМ дає коректне розпізнавання кутів після статистичного усереднення результатів класифікації. ШНМ в числовому моделюванні демонструє час розрахунку на три порядки менший, ніж нам потрібно для розрахунку функції взаємної кореляції. 6. Вперше продемонстровано, що застосування шару SoftMax робить відповіді ШНМ більш контрастними в задачах підповерхневого зондування, але призводить до ледве помітних помилок. Застосування методу Dropout в цілому підвищило якість роботи ШНМ для цієї задачі. 7. Вперше визначено, що за наявності білого шуму різного рівня немає достовірних переваг у кінцевих результатах розпізнавання позицій об'єкта для обох підходів ШНМ та взаємної кореляції. Метод взаємної кореляції не потребує синхронізації часу між випромінювачем та приймачем, на відміну від ШНМ, але вимагає значного часу розрахунку, тому є можливість покращити якість класифікації розташування об’єкта, поєднавши ці два підходи. Практичне значення отриманих результатів: 1. Отримані вирази для полів у ближній зоні нестаціонарних випромінювачів мають практичну цінність для радарних систем, де об’єкти досліджень знаходяться в ближній зоні, системах неруйнівного контролю. Ці результати важливі для здоров’я обслуговуючого персоналу радарних та рейкотронних систем. 2. Розроблено методики визначення діелектричної проникності з високою точністю та створено випромінювачі, що важливо для точного визначення локальних неоднорідностей в об'єктах в задачах підповерхневого зондування. 3. Запропоновані в роботі випромінювачі можуть бути використані в бездротових локальних мережах, задачах неруйнівного контролю, моніторингу навколишнього середовища, біології, медицині тощо. 4. Надширокосмуговий комбінований випромінювач Клевіна є практично цінним через те, що маючи відносно малі розміри він ефективно випромінює імпульсні електромагнітні хвилі як одиночна антена, так і як елемент антенної решітки. 5. Практична цінність запропонованого підходу розпізнавання на ШНМ ґрунтується на використанні близького до реального джерела полів з обмеженою енергією, розташованого на невеликій висоті від ґрунту, застосуванням до такого складного для розпізнавання об’єкта, як реальна протипіхотна міна. Значну практичну цінність становить реалізація прямого навчання штучної нейронної мережі на розпізнавання мін з даних експериментальних радарограм, знятих в умовах, близьких до реальних. 6. Практично цікавою є запропонована система позиціонування на імпульсних хвилях через відсутність вимог щодо часової синхронізації передавачів і приймачів та завадостійкість по відношенню до традиційних вузькосмугових систем подавлення.