Способ двухэтапного восстановления радиолокационного изображения



 


Владельцы патента RU 2411536:

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет (RU)

Изобретение относится к системам активной и пассивной радиолокации наблюдения за наземными и воздушными объектами на базе подвижных и неподвижных носителей станций со сканирующими антеннами. Достигаемый технический результат - увеличение быстродействия восстановления радиолокационных изображений (РЛИ) за счет выполнения операций восстановления в виде двухэтапной процедуры с учетом свойства разделения характеристики диаграммы направленности антенны по переменным. Заявленный способ заключается в том, что при наблюдении за поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующей антенны последовательно смещают антенну по азимуту и углу места на величину элемента дискретизации построчно в зоне обзора, измеряют при каждом положении антенны значения амплитуд принимаемых сигналов в пространственных координатах, вычисляют для совокупности амплитуд дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и обрабатывают его с помощью восстанавливающего фильтра, при этом используют одномерное ДПФ в виде двухэтапной процедуры: вначале обрабатывают изображение одномерным восстанавливающим фильтром вдоль строк матрицы РЛИ и затем вдоль столбцов.

 

Изобретение относится к системам активной и пассивной радиолокации наблюдения за наземными и воздушными объектами на базе подвижных и неподвижных носителей станций со сканирующими антеннами.

При получении радиолокационных изображений (РЛИ) наземных или воздушных объектов в системах активной локации на базе бортовых радиолокационных станций (РЛС) реального луча или пассивной локации на базе радиотеплолокационных станций (РТЛС) миллиметрового диапазона осуществляется построчное сканирование зоны обзора смещением антенны по азимуту и по углу места. После прохождения тракта первичной обработки принятые сигналы переводятся в двумерное амплитудное изображение в координатах азимут - угол места, которое выводится на экран индикатора. Однако изображение получается смазанным по строкам и столбцам на ширину диаграммы направленности антенны (ДНА) на уровне 0,5 мощности. Повышение разрешающей способности смазанных двумерных изображений достигается их алгоритмической обработкой с привлечением оптимальных методов восстановления изображений, например [1-4]. Однако открытой остается проблема повышения быстродействия алгоритмов восстановления, особенно актуальная при получении РЛИ на базе бортовых РЛС и РТЛС.

Известны способы восстановления двумерных изображений в пространственной [1, 2, 4] и частотной [1, 2, 3] областях. Применение частотных методов, в отличие от пространственных, позволяет использовать для восстановления РЛИ быстрое преобразование Фурье (БПФ) на базе специализированных (сигнальных) процессоров бортовых ЭВМ. Однако при обработке больших массивов данных в реальном масштабе времени быстродействие частотных методов ограничено ресурсами бортовых ЭВМ.

Наиболее близким по технической сущности является способ восстановления двумерных изображений в частотной области [3]. Рассматривается интегральная (суммарная) модель измерений вида:

, ,

где (2m1+1)×(2m2+1) - размер прямоугольной апертуры измерений, определяемый шириной ДНА; α(i1, i2) - нормированные коэффициенты ДНА, обычно аппроксимируемые экспоненциальной функцией с квадратичным показателем степени; x(i1, i2) - действительные или в общем случае комплексные амплитуды поля X отражения в РЛС или излучения в РТЛС, характеризующие интенсивность поля в i1, i2-x элементах дискретизации; w(j1, j2) - помеха типа белого шума; N1×N2 - размеры зоны обзора, N1>2m1+1, N2>2m2+1.

Задача заключается в восстановлении или поиске оценок элементов х(i1, i2) поля X в зоне обзора в частотной области и решается следующим образом.

1. Находится двумерное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) выражения (1), которое дает алгебраическое уравнение относительно неизвестного X в области целочисленных частот n1, n2:

, ,

где Y, А, X и W - образы двумерного ДПФ, причем Y{n1, n2) вычисляется в реальном времени по формуле:

а ДПФ A(n1, n2) вычисляется заранее:

2. Из уравнения (2) без учета помех W(n1, n2)находится Фурье-образ искомого поля X с помощью восстанавливающего фильтра:

где , ; Н(n1, n2) - заранее вычисляемая передаточная функция восстанавливающего фильтра, на вход которого подается Y(n1, n2). Причем функция Н(n1, n2) обратно зависит от спектральной характеристики ДНА и прямо зависит от стабилизирующего множителя R(n1, n2), который предотвращает резкое увеличение Н(n1, n2) в нулях спектральной характеристики А(n1, n2) и подавляет помеху W(n1, n2) на краях спектра ДНА [1]:

где δ - параметр регуляризации, практически выбираемый подбором из соображений приемлемого качества восстановленного изображения, при этом идут на компромисс между зашумленностью изображения и узнаваемостью изображений объектов, после чего зашумленность убирают с помощью нелинейных пространственных фильтров [3]; Ω(n1, n2) - возрастающая функция n1 и n2, например, степенная: , где r и s - порядки регуляризации, обычно равные 1 или 2.

Фильтр (5) почти без искажений пропускает низкочастотные составляющие входного сигнала и усиливает высокочастотные (на спаде характеристики ДНА), увеличивающие четкость изображения.

3. Осуществляется перевод решения (5) в пространственную область с помощью обратного двумерного ДПФ:

, ,

4. Совокупность оценок , найденных в (7), представляет матрицу восстановленного амплитудного РЛИ наземной или воздушной обстановки с разрешением по углу места и азимуту, размеры которой N1×N2 равны размерам матрицы измерений Y. В случае комплексных измерений (1) дополнительно берутся модули комплексных оценок .

5. В отличие от РТЛС, принимающей излученный сигнал во всем диапазоне дальности, для РЛС изображение находится в различных элементах разрешения дальности, по совокупности которых может формироваться трехмерное РЛИ.

Однако указанный способ обладает следующим недостатком. Организация вычислений в (3), (5), (7) при N1=N2=N требует 2N4+N2~2N4 обобщенных операций при восстановлении всего поля изображения за счет двойного суммирования, в то время как при рациональной организации вычислений в виде повторной суммы с учетом свойства разделения по переменным характеристики ДНА количество таких операций может быть снижено примерно в 2 раза.

Технический результат направлен на увеличение быстродействия алгоритма восстановления РЛИ за счет выполнения операций восстановления в виде двухэтапной процедуры с учетом свойства разделения характеристики ДНА α(i1, i2) в (1) по переменным:

где a(i1) и b(i2) - четные функции одной переменной.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ двухэтапного восстановления радиолокационного изображения заключается в том, что при наблюдении за поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующей антенны последовательно смещают антенну построчно по азимуту (по i2, и углу места (по i1, на величину элемента дискретизации в зоне обзора размером (N1+1)×(N2+1), измеряют при каждом положении антенны значения амплитуд принимаемых сигналов в пространственных координатах i1, i2, и составляют из них матрицу y(i1, i2) РЛИ, отличается тем, что вначале для каждой i1-й строки, , матрицы РЛИ находят одномерное ДПФ Y(i1, n2), , измерений, взятых по строке, и умножают Y(i1, n2) на заранее вычисленную передаточную функцию Н2(n2) частоты n2, в результате получают ДПФ восстановленного РЛИ по строкам, затем независимо или параллельно в каждом i2-м столбце, матрицы РЛИ умножают на заранее вычисленную передаточную функцию Н1(n1) частоты n1, в результате получают ДПФ восстановленного РЛИ по столбцам, далее применяют к обратное двумерное ДПФ и получают восстановленное РЛИ в пространственной области , с разрешением по углу места и азимуту.

Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.

1. Заранее вычисляются одномерные ДПФ коэффициентов ДНА:

и передаточные функции одномерных восстанавливающих фильтров:

где R1(n1), R2(n2) - стабилизирующие множители:

необходимые для устойчивой работы фильтров; δ - параметр регуляризации, выбираемый заранее; k=1 или 2.

2. В процессе формирования i1-x строк, , матрицы РЛИ в частотной области находится одномерное ДПФ измерений, взятых по строке:

Одновременно вычисляется ДПФ промежуточных оценок:

3. Затем независимо или параллельно в каждом i2-м столбце, , матрицы РЛИ вычисляется ДПФ искомых оценок:

4. Обратным двумерным ДПФ по формуле (7) восстанавливается искомое изображение , ,

В случае комплексных измерений (1) берутся модули комплексных оценок , совокупность которых представляет восстановленное амплитудное РЛИ наземной или воздушной обстановки в зоне обзора РЛС с повышенной разрешающей способностью по углу места i1 и азимуту i2, которое выводится на экран индикатора.

Выбор параметра регуляризации δ в (12) целесообразно подчинить условию узнаваемости восстановленного изображения в ущерб его зашумленности в адаптивном режиме с помощью человека-оператора [3].

Обоснованием предложенного способа являются следующие преобразования. С учетом свойства (8) модель измерений в виде двойной суммы (1) представляется повторной суммой:

или в виде двух одномерных сверток:

с изображениями

или без учета помех W(n1, n2):

Тогда двухэтапное решение задачи восстановления в частотной области для модели (16) сводится к последовательному нахождению оценок:

где А(n1), В(n2), Н1(n1), Н2(n2) и R1(n1), R2(n2) определены в (9)-(11).

Коэффициенты ДНА удобно аппроксимировать экспоненциальной функцией с квадратичным показателем степени:

где Δ1 и Δ2 - ширина ДНА (в осевом сечении) по азимуту и углу места на уровне 0,5 мощности: Δ1=2m1+1, Δ2=2m2+1; с - коэффициент аппроксимации (например: с=1,694 или с=0,694 для более широкой ДНА).

Так как при переводе в частотную область начальная точка отсчета i01, i02 в пространственной системе координат i1, i2 может быть выбрана произвольно, то при вычислении (9), (10) целесообразно координаты i01, i02 выбирать по центру N1×N2 - окна измерений: i01=(Nl-1)/2, i02=(N2-1)/2, где N1, N2 - нечетные числа, тогда

Способ двухэтапного восстановления РЛИ в частотной области позволяет при N1=N2=N уменьшить число обобщенных операций с 2N4+N2~2N4 до N4+N3+2N2~N4 (примерно в 2 раза).

Литература

1. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. - М.: Радио и связь, 1986. 304 с.

2. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. пособие / И.С.Грузман, B.C.Киричук и др. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.

3. Воскобойников Ю.Е. Комбинированный нелинейный алгоритм восстановления контрастных изображений при неточно заданной аппаратной функции // Автометрия. 2007. №6. С.3-16.

4. Патент RU 2284548 С1. Способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой на базе бортовой РЛС / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02. Приоритет 23.06.2005. Опубл.: 27.09.2006. Бюл. №27.

Способ двухэтапного восстановления радиолокационного изображения, заключающийся в том, что при наблюдении за поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующей антенны последовательно смещают антенну построчно по азимуту (по i2, ) и углу места (по i1, ) на величину элемента дискретизации в зоне обзора размером (N1+1)×(N2+1), измеряют при каждом положении антенны значения амплитуд принимаемных сигналов в пространственных координатах i1, i2, и составляют из них матрицу y(i1, i2) радиолокационного изображения (РЛИ), отличающийся тем, что вначале для каждой i1-й строки, , матрицы РЛИ находят одномерное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) Y(i1, n2), , измерений, взятых по строке, и умножают Y(i1, n2) на заранее вычисленную передаточную функцию Н2(n2) частоты n2, в результате получают ДПФ восстановленного РЛИ по строкам, затем независимо или параллельно в каждом i2-м столбце, , матрицы РЛИ умножают на заранее вычисленную передаточную функцию H1(n1) частоты n1, , в результате получают ДПФ , восстановленного РЛИ по столбцам, далее применяют к обратное двумерное ДПФ и получают восстановленное РЛИ в пространственной области , с разрешением по углу места и азимуту.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и отраженных от воздушных объектов сигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.

Изобретение относится к методам обработки радиолокационной информации и может быть использовано в импульсных и импульсно-доплеровских радиолокационных станциях (РЛС) разведки и сопровождения целей, позволяющих производить электронную перестройку частоты зондирующего сигнала от импульса к импульсу.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при разработке портативных радиолокационных систем наблюдения для охраны наземных объектов.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при разработке портативных радиолокационных систем наблюдения для охраны наземных объектов.
Изобретение относится к области радиолокации, в частности к радиолокационным средствам обзора земной поверхности, неконтактного исследования среды, и может быть использовано в радиолокационной фотограмметрии, в прибрежном мониторинге, в картосличительной навигации.

Изобретение относится к пассивным бортовым системам наблюдения за движущимися объектами на поверхности. .

Изобретение относится к радиолокационным устройствам и может быть использовано для распознавания классов летательных аппаратов (ЛА) по сигнальным признакам. .
Изобретение относится к системам радиолокации. .

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием одиночных сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов и может быть использовано при зондировании нескольких, близкорасположенных объектов, например слоев асфальтового покрытия.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и отраженных от воздушных объектов сигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения, измерения координат и сопровождения летящих объектов как в воздушном пространстве, так и в ближнем космосе

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при обработке информации, получаемой радиолокаторами с синтезированной апертурой для распознавания надводных кораблей, находящихся на взволнованной морской поверхности

Изобретение относится к области радиолокации

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных от воздушных объектов сигналов, излучаемых передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных от воздушных объектов сигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения

Изобретение относится к средствам обнаружения перемещения поверхности объекта

Изобретение относится к антенной технике, а именно к активным фазированным антенным решетками (АФАР), и может быть использовано в многофункциональных радиолокационных системах с электронным управлением диаграммой направленности

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и отраженных от воздушных объектов сигналов, излучаемых передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и отраженных от воздушных объектов сигналов, излучаемых передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения
Наверх