Full-Wave Radar Tomography of Complex, High-Contrast Targets: Imaging the Interior Structure of a Small Solar System Body
Sorsa, Liisa-Ida (2021)
Sorsa, Liisa-Ida
Tampere University
2021
Tekniikan ja luonnontieteiden tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2021-10-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2127-7
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2127-7
Tiivistelmä
Muodoltaan epäsäännöllisten pienten taivaankappaleiden, kuten asteroidien, koko aallon tutkatomografiasovellus on monimutkainen matemaattinen ja laskennallinen inversio-ongelma. Sitä varten on valittava sopiva menetelmä, jolla simuloidaan suora malli eli aallon kulku kohteen sisällä. Lisäksi tarvitaan inversiomenetelmä, jolla voidaan laskea suoran mallin datan perusteella rekonstruktio kohteen sisäosan rakenteelle. Haastetta lisää asteroidikuvantamiseen läheisesti liittyvät rajoitteet siitä, että tutkamittaus suoritetaan avaruudessa satelliiteilla, joilla on käytössään rajattu määrä energiaa. Lisäksi niiden tarkkaa sijaintia ja suuntausta on vaikea ohjata. Tämän vuoksi tutkatomografiset mittaukset tuottavat harvan mittapistekonfiguraation eli kyseessä on myös rajoitetun datan ongelma. Lisäksi mittaukseen liittyy useita virhelähteitä, joista mittapisteen tarkkaan sijaintiin liittyvät ovat vain ensimmäiset. Mittalaitteen kohinan lisäksi mittausympäristössä on kosmista säteilyä, joka voi vaikuttaa heikkoihin tutkasignaaleihin.
Tämän tutkimuksen tarkoitus on edistää koko aallon tutkatomografian matemaattisia ja laskennallisia menetelmiä. Työssä käytetään aikatason elementtimenetelmää (finite element time domain, FETD) laskemaan aallon eteneminen realistisen kohdeasteroidimallin sisällä. Tämä malli perustuu Itokawan muotomalliin ja sen sisälle on rakennettu olemassa olevan tiedon perusteella permittiivisyysjakauma. Datan rekonstruktiot lasketaan kokonaisvariaatiomenetelmällä, jonka toimivuus tähän sovellukseen näytetään vertaamalla saatuja rekonstruktiota alkuperäiseen tarkkaan jakaumaan. Korkeamman kertaluokan sironnan vaikutusta rekonstruktioihin tutkittiin implementoimalla korkeamman asteen Bornin approksimaatio kaksiuloitteiseen FETD-ratkaisijaan. Samalla tutkitaan mittauskonfiguraation vaikutusta rekonstruktioiden laatuun. Itokawa-mallilla tehtyjen laskennallisten tulosten validointia varten kehitettiin menetelmä valmistaa 3D-tulostimella laskennallista mallia sekä muodoltaan, rakenteeltaan että sähköisiltä ominaisuuksiltaan vastaava pienoismalli, jota tutkittiin laboratoriossa tomografisella mikroaaltotutkalla. Näin saatuja laboratoriomittaustuloksia voitiin verrata laskennalliseen dataan. Työssä käytetyt laskentatyökalut, joilla aaltopropagaatiota voidaan mallintaa 2D- ja 3D-alueissa sekä valmistaa pienoismalli valmistusta varten, julkaistiin avoimen lähdekoodin ohjelmistopaketteina.
Laskennalliset tulokset osoittavat, että matalataajuuksinen tomografinen tutka voi havaita asteroidin sisärakenteen onkalot, halkeamat, tiheät lohkareet ja hyvin huokoiset yksityiskohdat muodoltaan monimutkaisessa, asteroidi Itokawan muotoon perustuvassa ja vastaavan kokoisessa (535 metriä) asteroidissa. Bistaattinen ja multistaattinen mittauskonfiguraatio johtavat luotettavampaan rekonstruktioon monostaattiseen mittaukseen verrattuna. Laboratoriomittauksella tutkittiin erityisesti Itokawa-kokoisen kohdeasteroidin tomografiaa tutkalla, jonka keskitaajuus oli 5 MHz and kaistanleveys 2 MHz. Kokeellisen ja laskennallisen datan vertailun perusteella laskennallinen data mallintaa mitattua aikatason tutkasignaalia hyvin. Signaalista voidaan erottaa signaalin matka-ajan avulla jokainen mallin sisärakenteen kohta, joten simulaation avulla voidaan saada luotettavia tuloksia signaalin kulusta kohteen sisällä. Lisäksi näytetään, että käyttämällä vain yhdenkin pisteen takaisinprojektiota, on mahdollista saada kohtuullinen rekonstruktio, josta sisäosien onkalo voidaan havaita.
Tässä työssä käytetyillä menetelmillä ja nykyisillä laskentaresursseilla voidaan simuloida koko aallon tutkatomografinen ongelma matalataajuuksisella tutkalla sellaiselle tapaukselle, jossa tutkan keskitaajuus on 10 MHz ja kohteen koko noin 260 metriä, tai tapaukselle jossa tutkan taajuus on 20 MHz and kohteen koko on noin 130 metriä. Mikäli kohteen kokoa halutaan kasvattaa, ongelman koko ja sitä kautta vaatimus laskentamuistin määrälle kasvaa yli työtä tehdessä käytössä olleen laskentakapasiteetin. Tutkan keskitaajuuden kasvattaminen 50-60 MHz:iin vaatisi lisäksi käytetyn elementtiverkon tihentämisen näille taajuuksille sopivammaksi, jolloin ongelman koko kasvaisi jälleen. Myös tällöin vaatimus teholaskennan entistä suuremmalle muistiresurssin käytölle kasvaa. Kehittämällä edelleen tässä työssä käytettäviä ratkaisijoita sopivaksi nykyisille ja tuleville teholaskentateknologioille, voidaan simuloida myös korkeampia taajuuksia ja suurempia ongelmia.
Tämän tutkimuksen tarkoitus on edistää koko aallon tutkatomografian matemaattisia ja laskennallisia menetelmiä. Työssä käytetään aikatason elementtimenetelmää (finite element time domain, FETD) laskemaan aallon eteneminen realistisen kohdeasteroidimallin sisällä. Tämä malli perustuu Itokawan muotomalliin ja sen sisälle on rakennettu olemassa olevan tiedon perusteella permittiivisyysjakauma. Datan rekonstruktiot lasketaan kokonaisvariaatiomenetelmällä, jonka toimivuus tähän sovellukseen näytetään vertaamalla saatuja rekonstruktiota alkuperäiseen tarkkaan jakaumaan. Korkeamman kertaluokan sironnan vaikutusta rekonstruktioihin tutkittiin implementoimalla korkeamman asteen Bornin approksimaatio kaksiuloitteiseen FETD-ratkaisijaan. Samalla tutkitaan mittauskonfiguraation vaikutusta rekonstruktioiden laatuun. Itokawa-mallilla tehtyjen laskennallisten tulosten validointia varten kehitettiin menetelmä valmistaa 3D-tulostimella laskennallista mallia sekä muodoltaan, rakenteeltaan että sähköisiltä ominaisuuksiltaan vastaava pienoismalli, jota tutkittiin laboratoriossa tomografisella mikroaaltotutkalla. Näin saatuja laboratoriomittaustuloksia voitiin verrata laskennalliseen dataan. Työssä käytetyt laskentatyökalut, joilla aaltopropagaatiota voidaan mallintaa 2D- ja 3D-alueissa sekä valmistaa pienoismalli valmistusta varten, julkaistiin avoimen lähdekoodin ohjelmistopaketteina.
Laskennalliset tulokset osoittavat, että matalataajuuksinen tomografinen tutka voi havaita asteroidin sisärakenteen onkalot, halkeamat, tiheät lohkareet ja hyvin huokoiset yksityiskohdat muodoltaan monimutkaisessa, asteroidi Itokawan muotoon perustuvassa ja vastaavan kokoisessa (535 metriä) asteroidissa. Bistaattinen ja multistaattinen mittauskonfiguraatio johtavat luotettavampaan rekonstruktioon monostaattiseen mittaukseen verrattuna. Laboratoriomittauksella tutkittiin erityisesti Itokawa-kokoisen kohdeasteroidin tomografiaa tutkalla, jonka keskitaajuus oli 5 MHz and kaistanleveys 2 MHz. Kokeellisen ja laskennallisen datan vertailun perusteella laskennallinen data mallintaa mitattua aikatason tutkasignaalia hyvin. Signaalista voidaan erottaa signaalin matka-ajan avulla jokainen mallin sisärakenteen kohta, joten simulaation avulla voidaan saada luotettavia tuloksia signaalin kulusta kohteen sisällä. Lisäksi näytetään, että käyttämällä vain yhdenkin pisteen takaisinprojektiota, on mahdollista saada kohtuullinen rekonstruktio, josta sisäosien onkalo voidaan havaita.
Tässä työssä käytetyillä menetelmillä ja nykyisillä laskentaresursseilla voidaan simuloida koko aallon tutkatomografinen ongelma matalataajuuksisella tutkalla sellaiselle tapaukselle, jossa tutkan keskitaajuus on 10 MHz ja kohteen koko noin 260 metriä, tai tapaukselle jossa tutkan taajuus on 20 MHz and kohteen koko on noin 130 metriä. Mikäli kohteen kokoa halutaan kasvattaa, ongelman koko ja sitä kautta vaatimus laskentamuistin määrälle kasvaa yli työtä tehdessä käytössä olleen laskentakapasiteetin. Tutkan keskitaajuuden kasvattaminen 50-60 MHz:iin vaatisi lisäksi käytetyn elementtiverkon tihentämisen näille taajuuksille sopivammaksi, jolloin ongelman koko kasvaisi jälleen. Myös tällöin vaatimus teholaskennan entistä suuremmalle muistiresurssin käytölle kasvaa. Kehittämällä edelleen tässä työssä käytettäviä ratkaisijoita sopivaksi nykyisille ja tuleville teholaskentateknologioille, voidaan simuloida myös korkeampia taajuuksia ja suurempia ongelmia.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4754]