СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ РТЛС

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью многоканальных радиотеплолокационных станций (РТЛС) или радиометров [1, 2] со сканирующими антеннами.

Многоканальная РТЛС с несколькими совмещенными антеннами, имеющими разные характеристики диаграмм направленности (ДН), принимает сигналы в разных частотных диапазонах. В результате сканирования антенн зоны обзора и прохождения принимаемых сигналов через тракты первичной обработки в нескольких измерительных каналах формируются матрицы радиотеплового изображения (РТИ) контролируемого участка местности или воздушной обстановки. Каждая матрица соответствует определенной антенне. Изображения объектов в матрицах РТИ получаются нечеткими в силу ограниченной разрешающей способности антенн, определяемой шириной ДН. Амплитуды элементов матриц РТИ несут информацию о радио-яркостной температуре объектов на изображении, которая зависит от частотного диапазона. Из-за различия частотных диапазонов амплитуды соответствующих элементов матриц отличаются. Возникает необходимость повысить четкость изображения объектов (то есть разрешение) за счет дополнительной обработки матриц РТИ и при этом сохранить информацию о тепловых характеристиках объектов в частотных диапазонах.

Известны способы формирования РТИ и повышения их пространственным разрешения, основанные на использовании нескольких совмещенных антенн с разными характеристиками ДН [3, 4]. В этих способах в результате сканирования антенн по пространству формируются несколько матриц РТИ в каналах первичной обработки. Затем эти матрицы совместно обрабатываются и получается одна матрица изображения контролируемого участка местности или воздушной обстановки с повышенным пространственным разрешением. Разрешение изображения повышается за счет увеличения числа каналов с разными характеристиками ДН и операций восстановления при совместной обработке матриц РТИ.

Однако при этом не учитывается различие температурных характеристик объектов в разных частотных диапазонах. Это приводит к ошибкам восстановления изображения, то есть к снижению разрешающей способности. При этом не сохраняются тепловые характеристики объектов в частотных диапазонах, соответствующих различным антеннам.

Рассмотрим в качестве прототипа способ формирования изображений в многоканальных РТЛС и РЛС [3], который заключается в следующем:

1. Антенная система, представляющая собой несколько совмещенных антенн или антенную решетку, построчно сканирует зону обзора, смещаясь по азимуту и углу места.

2. Цифровая система обработки принимаемых сигналов измеряет в каждом q-м канале (q=1, 2, …, Q, Q - число каналов) независимо сигналы в дискретные моменты времени, совпадающие с шагами дискретизации по углу места и азимуту, и формирует из них матрицы РТИ Y₁, Y₂, …, Y_Q.

3. Полученные матрицы Y₁, Y₂, …, Y_Q последовательно и построчно сворачивают в один вектор измерений .

4. Вектор умножают справа на матрицу весовых коэффициентов Н, вычисляемую заранее, тем самым получают вектор оценок .

5. Вектор оценок разворачивают построчно в матрицу X, представляющую восстановленное изображение зоны обзора с повышенным в несколько раз разрешением по угловым координатам.

Данный способ обладает указанными выше недостатками, а именно:

1. При формировании вектора измерений не учитываются амплитудные различия искомых изображений X₁, X₂, …, X_Q в разных частотных диапазонах антенн. Приближенно принимается: Х₁=Х₂=…=X_Q=X, что приводит к ошибкам восстановления.

2. В элементах полученной матрицы X отсутствует информация о тепловых характеристиках объектов в разных частотных диапазонах.

Технический результат направлен на устранение указанных недостатков, а именно на повышение разрешающей способности изображений с сохранением информации о температурных характеристиках объектов в разных частотных диапазонах.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа повышения разрешающей способности изображений в многоканальных РТЛС, который заключается в сканировании зоны обзора по азимуту и углу места несколькими совмещенными антеннами РТЛС с разными ДН, принимающими сигналы в разных частотных диапазонах, формируют матрицы РТИ Y₁, Y₂, …, Y_Q по числу антенн, которые затем совместно обрабатывают, отличающийся тем, что матрицы Y₁, Y₂, …, Y_Q умножают на определенные коэффициенты μ₁, μ₂, …, μ_Q, рассчитанные заранее, сворачивают построчно полученные матрицы μ₁Y₁, μ₂Y₂, …, μ_QY_Q в один вектор измерений , который умножают справа на матрицу весовых коэффициентов Н, вычисляемую заранее, и получают вектор оценок , затем разворачивают вектор построчно в матрицу X, умножают эту матрицу на коэффициенты 1/μ₁, 1/μ₂, …, 1/μ_Q и получают матрицы Х₁=(1/μ₁)⋅X, Х₂=(1/μ₂)⋅X, X_Q=(1/μ_Q)⋅X восстановленного изображения зоны обзора с повышенным пространственным разрешением в разных частотных диапазонах.

Расчетная часть

Модель элементов матриц РТИ Y₁={у₁(i,j)}, Y₂={у₂(i,j)}, …, Y_Q={у_Q(i,j)}, (М и N - количество строк и столбцов матриц), задается следующим выражением:

где у_q(i,j) - i-й, j-й элемент матрицы Y_q; α_q(i,j) - функция рассеяния, описывающая действие ДН q-й антенны и тракта первичной обработки q-го канала; , элемент искомой матрицы изображения X_q={x_q(i,j)} в q-м частотном диапазоне; (2m+1) и (2n+1) - размеры области определения функций α_q(i,j) по углу места и азимуту в числе элементов дискретизации; p_q(i,j) - нормальный шум аппаратуры q-го канала.

Задача заключается в нахождении матриц X_q={x_q(i,j)} по совокупности наблюдений Y₁, Y₂, …, Y_Q на основе известных характеристик α_q(i,j), .

Для модели наблюдений вида (1) задача решается известными методами восстановления изображений [5] независимо для каждой матрицы Y_q. При одинаковой точности восстановления матриц Y₁, Y₂, …, Y_Q, присущей методу восстановления, разрешающая способность изображений Х₁, Х₂, …, X_Q получается разной из-за различия ширины ДН антенн. При этом не достигается потенциально достижимая точность восстановления, получаемая при совместной обработке матриц Y₁, Y₂, …, Y_Q для модели наблюдений вида:

где, в отличие от модели (1), искомое изображение X={x(i,j)} одинаково во всех q-x каналах. Различие X_q проявляется в интенсивности и проникающей способности радиотеплового излучения в разных частотных диапазонах, что отражается на амплитудах элементов матриц X_q.

Примем справедливость существования коэффициентов μ₁, μ₂, …, μ_Q, таких, что выполняются равенства:

μ₁X₁=μ₂Х₂=…=μ_QX_Q=X,

где Х - гипотетическое изображение, которое в разных частотных диапазонах воспринимается как Х_q

Тогда Х₁=(1/μ₁)X, Х₂=(1/μ₂)X, … X_Q=(1/μ_Q)X и модель (1) принимает вид:

или

что дает основание для применения предложенного способа.

Коэффициенты μ₁, μ₂, …, μ_Q находятся эмпирически из соображений наилучшей четкости восстановления контрольных изображений X и затем используются без изменения для данного класса изображений.

Задача восстановления X по совокупности наблюдений μ₁Y₁, μ₂Y₂, …, μ_QY_Q решается известным [3, 5] матричным методом. При этом модель (3) записывается в векторно-матричной форме:

где - вектор всей совокупности наблюдений μ_qу_q(i,j), , выписанных построчно из матриц Y_q; A={a(i,j)} - матрица, элементы которой a(i,j) получены расположением по определенному правилу значений функций α_q(i,j) в первоначально обнуленной матрице А; - вектор искомого изображения, при построчном переписыванием элементов x(i,j) из матрицы Х; - вектор шумов, составленный из p_q(i,j).

Оптимальная оценка вектора при отсутствии информации относительно X и Р находится минимизацией квадрата евклидовой нормы

т.е. методом наименьших квадратов, T - символ транспонирования.

Необходимое условие существования экстремума функции (5) дает известное выражение вектора оптимальных оценок:

где δ - параметр регуляризации (малое положительное число), необходимый для устойчивого обращения матрицы A^TA; Е - единичная матрица.

Матрица Н в (6), вычисляемая заранее, является псевдообратной для А и также может быть найдена сингулярным разложением А, например, в среде Matlab: H=pinv(A, δ).

Элементы найденного в (6) вектора построчно заполняют матрицу X^* восстановленного изображения X.

Результаты моделирования

Для двухканальной системы с двумя антеннами (Q=2) моделировалось изображение X объекта в виде геометрической фигуры в составе матрицы размером M×N=25×25. Функция α_q(i,j) задавалась экспонентой с квадратичным показателем степени, взятым с коэффициентом k_q. В первой матрице РТИ Y₁, полученной в соответствии с (1) для широкой ДН (k₁=0,1), амплитуда объекта принималась равной А₁, во второй матрице Y_2,, полученной для узкой ДН (k₁=0,3), амплитуда объекта А₂. Изображение объекта восстанавливалось по правилу (6) для разных значений ΔА=А₂-А₁ при А₁=5 и А₂>5 или А₂=5 и А₁>5. Различие амплитуд определялось различием частотных диапазонов антенн. Восстановленное изображение X^* нормировалось делением всех элементов матрицы X^* на максимальный элемент и умножением на А₁, после чего сравнивалось с моделируемым изображением X₁. Это давало возможность оценить по амплитуде четкость изображения.

При фиксированном коэффициенте μ₁=1 выбирался коэффициент μ₂ по минимуму оценки среднеквадратического отклонения (СКО) ошибки восстановления. Оптимальным значениям μ₂ соответствовала минимальная оценка СКО на уровне 0,35-0,37 при ΔА>0 и на уровне 0,4-0,5 при ΔА<0. Оптимальные значения μ₂ представлены в таблице в зависимости от ΔА.

Найденные для различных значений ΔА (различных частотных диапазонов) оптимальные значения μ₂ использовались для получения искомых изображений: Х₁^*=X^*, Х₂^*=(1/μ₂)X^*. Для оценки потенциально достижимой точности находилось СКО ошибки восстановления для модели (2), которое составило 0,35.

Выводы

Результаты модельного эксперимента показывают возможность применения предложенного способа в многоканальных РТЛС с несколькими антеннами. Способ позволяет повысить пространственное разрешение изображения объектов на местности или воздушной обстановки в равной степени для всех каналов с сохранением температурных характеристик частотных диапазонов.

Литература

1. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация (пассивная радиолокация). М.: Сов. радио, 1964. 335 с.

2. Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы: в 2 т. / Т. 1. М.: ИКИ РАН, 2014. 544 с.

3. Патент RU 2368917 С1. Способ формирования изображений в многоканальных РТЛС и РЛС / В.К. Клочко. МПК: G01S 13/89. Приоритет 21.12.2007. Опубл.: 27.09.2009. Бюл. №27.

4. Патент RU 2379706 С2. Способ повышения разрешающей способности радиотепловых изображений / В.К. Клочко, В.В. Курилкин, А.А. Куколев, С.А. Львов. МПК: G01S 13/89. Приоритет 28.03.2008. Опубл.: 20.01.2010. Бюл. №2.

5. Василенко Г.И., Тараторин А.М. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986. 304 с.