Способ восстановления изображений объектов по разреженной матрице радиометрических наблюдений

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью радиометра со сканирующей по азимуту и углу места антенной. Достигаемый технический результат направлен на восстановление изображений объектов при шаге сканирования антенны радиометра по углу места, большем, чем шаг дискретизации искомого изображения. Указанный результат достигается за счет того, что формируют расширенную матрицу наблюдений путем интерполяции недостающих строк с последующей обработкой расширенной матрицы в частотной области с помощью восстанавливающего фильтра, что позволяет получать неискаженное изображение объектов. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью радиометра [1, 2].

Радиометрическая система, работающая в миллиметровом или сантиметровом диапазоне длин волн, наблюдает объекты на местности. Объекты излучают тепловое поле X={x{i, j)}, , , элементы дискретизации которого x(i, j) имеют смысл интенсивности излучения в i,j-м направлении и рассматриваются в системе угловых координат наблюдателя: θi - по углу места и φj - по азимуту в i,j-x элементах дискретизации с шагом дискретизации Δθ и Δφ соответственно (обычно Δθ=Δφ). Числа M и N определяют размеры поля X в числе элементов дискретизации.

Антенна радиометра построчно сканирует участок местности по азимуту и углу места. При каждом i,j-м положении линии визирования антенны принимаемое поле X усиливается радиометром и после первичной обработки регистрируется в виде напряжения y(i, j). Величина y(i, j) носит интегральный характер по i,j-м элементам дискретизации поля X и подчинена модели измерений в виде свертки:

, ,

где 2m+1 и 2n+1 - ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) соответственно по углу места и азимуту (на уровне 0,5 мощности); α(i, j) - коэффициенты аппаратной функции, получаемые экспериментально при наблюдении точечного источника излучения x(i, j)=δ(i, j), имитирующего действие дельта-функции; p(i, j) - шумы аппаратуры в виде белого шума с дисперсией .

Совокупность измерений (1) представляет матрицу измерений Y размером M×N. Элементы матрицы Y, расположенные по периметру поля X, заполняются нулями: y(i,j)=0, , , , . В результате получается матрица измерений Y={y(i, j)}, , такого же размера, как матрица X. Совокупность P={p(i, j)}, , дает матрицу шумов.

Задача заключается в восстановлении ненаблюдаемого поля X на основе наблюдений Y. Данная задача относится к классу некорректно поставленных задач и решается известными способами восстановления полей или изображений как в пространственной, так и в частотной областях [3-7].

В качестве прототипа рассматривается способ [3, с. 64-67] восстановления X в частотной области, который заключается в следующем.

1. Наблюдения Y подвергаются дискретному или быстрому преобразованию Фурье (ДПФ или БПФ), в результате чего в области пространственных частот ƒi и ƒj образуется спектральная матрица наблюдений:

Yƒ={yƒ(i, j)}, , ,

где yƒ(i, j)=F[y(i, j)] - Фурье-спектр y(i, j), и в силу свойства преобразования Фурье выполняется равенство:

где xƒ(i, j)=F[x(i, j)], pƒ(i, j)=F[p(i, j)] - соответствующие спектры X и P.

2. Заранее составляется матрица коэффициентов ДНА A={a(i, j)}, , , по углам которой размещаются коэффициенты α(i1, j1), , так, чтобы обеспечить пространственную периодичность матрицы А и соответственно функции (2) [8, с. 130]. Остальные элементы матрицы А заполняются нулями. Матрица А подвергается преобразованию Фурье, в результате образуется матрица A={a(i, j)}, , , где a ƒ(i, j)=F[a(i, j)].

3. Уравнение (2) решается относительно xƒ{i, j). Решением, отвечающим критерию минимума дисперсии ошибки восстановления [3], является оценка комплексной величины xƒ(i, j), вычисляемая по формуле:

где R(i, j) - множитель, повышающий устойчивость решения за счет подавления действия широкополосного шума pƒ(i, j) на высоких частотах и вычисляемый по формуле:

где sp(i, j) и sX(i, j) - значения спектральных плотностей соответственно шумового поля Р и искомого поля X.

Практически операции (3), (4) сводятся к умножению спектра измерений yƒ(i, j) на заранее вычисленную передаточную функцию hƒ(i, j) восстанавливающего фильтра:

где учтено свойство: , - сопряженная комплексная величина.

При отсутствии информации относительно sX(i, j) передаточную функцию (6) целесообразно заменить функцией вида

где коэффициенты k1 и k2 подбираются эмпирически.

4. Полученная матрица оценок в спектральной области , , подвергается обратному преобразованию Фурье:

Результатом являются оценки искомого поля изображения X, в составе которого присутствует изображение объектов.

Рассмотренный способ обладает следующим недостатком. При механическом сканировании антенны шаг сканирования по углу места h=k·Δφ при k>1 оказывается больше размера Δθ элемента дискретизации поля X по азимуту, что приводит к несоответствию масштабов по θ и φ. При этом матрица наблюдений становится разреженной , и число ее строк оказывается меньше числа строк искомой матрицы , , , k>1. Восстанавливать изображение X по разреженной матрице с помощью способа-прототипа невозможно. Попытка заполнить недостающие строки матрицы нулями приводит к существенному искажению оценок , что затрудняет распознавание изображений объектов.

Технический результат направлен на восстановление изображений объектов при шаге сканирования по углу места, большем, чем шаг дискретизации искомого поля X, за счет интерполяции недостающих строк в разреженной матрице наблюдений .

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ восстановления изображений объектов по разреженной матрице радиометрических наблюдений заключается в построчном сканировании антенны радиометра по азимуту и углу места с шагом по углу места, большим, чем шаг дискретизации искомого изображения, с последующей обработкой матрицы наблюдений в частотной области, отличающийся тем, что между соседними строками разреженной матрицы наблюдений располагают новые строки по числу недостающих элементов дискретизации угла места, а элементы этих строк получают линейной интерполяцией соответствующих элементов соседних строк исходной матрицы, затем полученную расширенную матрицу подвергают преобразованию Фурье, умножают результат преобразования на передаточную функцию восстанавливающего фильтра, осуществляют обратное преобразование Фурье и получают матрицу восстановленного изображения объектов.

Способ осуществляют следующим образом.

1. При сканировании антенны радиометра с шагом h=kΔφ, k>1, по углу места большим, чем шаг дискретизации Δθ восстанавливаемого изображения X={x(i, j)}, , , получают разреженную по строкам матрицу наблюдений , , , k>1, элементы которой y(i, j) отвечают модели (1). Элементы матрицы , расположенные по периметру поля X, заполняют нулями: , , , .

2. Между соседними строками разреженной матрицы помещают k-1 строк по числу k-1 недостающих элементов дискретизации угла места, а элементы этих строк получают линейной интерполяцией соответствующих элементов соседних i-й и (i+1)-й строк матрицы по формуле:

где

В результате получают расширенную матрицу измерений Y={y(i, j)}, , такого же размера, как матрица X.

3. Расширенную матрицу Y подвергают преобразованию Фурье и получают спектральную матрицу Yƒ={yƒ(i, j)}, , .

4. Элементы матрицы Yƒ умножают на передаточную функцию (6) или (7) в соответствии с формулой (5) и получают спектральную матрицу оценок , , , где .

5. Полученную матрицу подвергают обратному преобразованию Фурье: , , , результатом которого является матрица восстановленного изображения объектов в пространственной области.

Для повышения качества изображения дополнительно может применяться пороговая обработка матрицы , устраняющая шумовые эффекты, а также итерационные процедуры восстановления [4, 5], повышающие четкость изображения.

Экспериментальная часть (результаты моделирования).

На фигуре 1 показано изображение объекта в элементах дискретизации поля X. Антенна с косинусной ДНА шириной 3° по азимуту и углу места (на уровне 0,5 мощности) сканировала искомое поле X с шагом дискретизации Δφ=(1/16)° по азимуту и шагом h=16Δφ=1° по углу места (в 16 элементов дискретизации). Полученное на выходе радиометра изображение объекта в составе разреженной матрицы наблюдения показано на фигуре 2. После интерполяции недостающие строки матрицы заполнялись по линейному закону, и изображение объекта в составе расширенной матрицы принимало вид, показанный на фигуре 4. Изображение объекта , восстановленное в соответствии с предлагаемым способом, показано на фигуре 3. Для чистоты эксперимента дополнительные процедуры, повышающие качество изображения, не использовались. Применение способа-прототипа в одинаковых условиях показало неудовлетворительные результаты.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет восстанавливать изображения объектов по разреженной матрице наблюдений.

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

4. Пирогов Ю.А., Тимановский А.Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения миллиметрового диапазона / Радиотехника, 2006. №3. С. 14-19.

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

6. Клочко В.К. Математические методы восстановления и обработки изображений в радиотеплооптоэлектронных системах. Рязань: РГРТУ, 2009. 228 с.

7. Патент RU 2379706 С2. Способ повышения разрешающей способности радиотепловых изображений / В.К. Клочко, В.В. Курилкин, А.А. Куколев, С.А. Львов. Приоритет 28.03.2008. Опубл. 20.01. 2010. Бюл. №2.

8. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006. 616 с.

Способ восстановления изображений объектов по разреженной матрице радиометрических наблюдений, заключающийся в построчном сканировании антенны радиометра по азимуту и углу места с шагом по углу места, большим, чем шаг дискретизации искомого изображения, с последующей обработкой матрицы наблюдений в частотной области, отличающийся тем, что между соседними строками разреженной матрицы наблюдений располагают новые строки по числу недостающих элементов дискретизации угла места, а элементы этих строк получают линейной интерполяцией соответствующих элементов соседних строк исходной матрицы, затем полученную расширенную матрицу подвергают преобразованию Фурье, умножают результат преобразования на передаточную функцию восстанавливающего фильтра, осуществляют обратное преобразование Фурье и получают матрицу восстановленного изображения объектов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к бортовой информационной системе с антенной (2) для приема спутниковых данных географического положения. Техническим результатом является повышение качества приема слабых сигналов географического положения.

Изобретение относится к способам отображения радиолокационной информации на экранах индикаторов радиолокационных станций (РЛС). Достигаемый техническим результат - повышение достоверности и информативности радиолокационной информации о параметрах воздушных, надводных и наземных объектов.

Сканирующее устройство формирования трехмерного голографического изображения, в миллиметровом диапазоне волн, которое обеспечивает реализацию способа исследования объекта, включает в себя модуль трансивера миллиметрового диапазона, содержащий антенную решетку, направляющее устройство рельсового типа, с которым соединен модуль трансивера.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для решения задач радиолокационного мониторинга ограниченных участков земной поверхности, представляющих интерес.

Настоящее изобретение относится к области обеспечения безопасности, а именно к сканирующему устройству формирования топографического изображения в миллиметровом диапазоне волн для досмотра людей.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к бортовым радиолокационным системам наблюдения за земной поверхностью на базе доплеровской радиолокационной станции (РЛС) с четырехэлементной антенной решеткой.

Изобретение относится к формированию изображения сверхвысокого разрешения. Достигаемый технический результат - получение увеличенного разрешения.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для мониторинга протяженных сред и объектов. Достигаемый технический результат - повышение скорости мониторинга протяженных сред и объектов, а также уменьшение габаритов фокусирующей системы.

Группа изобретений относится к области радиовидения и может быть использована при проектировании радиотехнических систем. Достигаемый технический результат - снижение уровня помех на выходе отдельного канала формирования радиоголограммы без качественного увеличения его стоимости.

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к радиолокационным станциям, устанавливаемым на летательных аппаратах. Достигаемый технический результат - стабилизация положения зоны картографирования по курсу летательного аппарата.

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра, а также может быть использовано в радиолокации, радиоастрономии и в оптико-электронных системах. Достигаемый технический результат - нахождение аппаратной функции по методу наименьших квадратов (МНК) при восстановлении изображений объектов. Способ восстановления изображений при неизвестной аппаратной функции заключается в умножении вектора наблюдений на матрицу весовых коэффициентов, вычисляемую предварительно на основе МНК-оценок аппаратной функции, найденных для эталонного изображения.

Изобретение относится к пассивным системам радионаблюдений за объектами с помощью двухканального сканирующего радиометра, работающего в миллиметровом диапазоне длин волн, и может быть использовано также в оптических системах инфракрасного диапазона. Технический результат направлен на повышение точности восстановления и разрешающей способности изображения объектов в двухканальной радиометрической системе, работающей с повышенным шагом сканирования по углу места. Способ формирования изображений заключается в разном порядке сканирования антенн по угловым координатам с последующей совместной обработкой полученных в двух измерительных каналах двух матриц измерения, в результате чего формируется матрица изображений объектов с повышенной разрешающей способностью по угловым координатам. 1 табл.

Изобретение относится к пассивным двухканальным сканирующим системам наблюдения с двумя приемниками, работающими в оптическом, инфракрасном или миллиметровом диапазонах длин волн. Технический результат направлен на восстановление пропущенных строк и столбцов искомой матрицы изображения с целью восстановления изображения в целом. Способ восстановления изображений заключается в применении оператора восстановления одномерного изображения к массиву данных отдельных строк и столбцов двух матриц наблюдения с последующей интерполяцией и объединением двух изображений в одно восстановленное изображение без пропусков строк и столбцов. 1 табл.

Изобретение относится к радиолокационной технике, в частности к аэрокосмическим бортовым радиолокационным станциям с синтезированием апертуры антенны (РСА), формирующим радиолокационные изображения (РЛИ) земной поверхности с использованием синтезирования антенного раскрыва (САР) в процессе сканирования этой поверхности диаграммой направленности антенны РСА. Достигаемый технический результат - уменьшение искажений формируемых РЛИ, возникающих за счет изменения доплеровского сдвига несущей частоты радиолокационных сигналов, отражаемых элементами земной поверхности, при перемещении носителя РСА. Указанный результат достигается за счет того, что способ формирования изображения земной поверхности в радиолокационной станции с синтезированием апертуры антенны заключается в объединении радиолокационных изображений парциальных участков земной поверхности, подлежащей радиолокационному обзору, получаемых посредством излучения и приема когерентных импульсов при облучении антенной РСА этих участков, аналого-цифровом преобразовании принятых радиолокационных сигналов, формировании двумерных массивов оцифрованных принятых сигналов путем их распределения по каналам дальности и периодам излучения и последующей цифровой обработке сформированных двумерных массивов, при этом облучение антенной РСА участков земной поверхности производится дискретным или скользящим способом, а суммирование амплитуд элементов разрешения парциальных РЛИ, соответствующих сформированным двумерным массивам, осуществляется после перевода этих массивов из системы координат «дальность-доплеровская частота» в нормальную земную систему координат (НЗСК). 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли. Достигаемый технический результат изобретения – повышение качества изображения путем повышения разрешающей способности формируемого радиолокационного изображения наблюдаемого участка земной поверхности в телескопическом режиме за счет уменьшения протяженности обобщенной функции неопределенности по пространственным координатам. Сущность изобретения заключается в формирования радиолокационного изображения в телескопическом режиме с помощью алгоритма оптимального восстановления случайных полей в дискретном времени, при этом шагом дискретизации по времени будет являться длительность интервала синтезирования апертуры, получают оптимальную оценку удельного коэффициента рассеяния, характеризующего неподвижное во времени радиолокационное изображение зондируемой поверхности, и корреляционную функцию ошибки восстановления на текущем этапе обработки, которые служат априорной информацией для вычислений на следующем этапе обработки. 3 ил.

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра, и может быть использовано для получения радиотеплового изображения различных объектов. Технический результат изобретения заключается в определении корректной величины аппаратной функции радиометра в условиях его эксплуатации с целью обеспечения возможности получения радиотеплового изображения наблюдаемых объектов. Указанный результат достигается за счет размещения в зоне обзора антенны радиометра контрольного объекта, сканирования объекта антенной радиометра по азимуту и углу места, формирования радиометрического и оптического изображений области, содержащей контрольный объект с прилегающим фоном; формирования матриц Y и X, соответственно, радиометрического и оптического изображения, сегментирования матрицы X по контрасту амплитуд, представлении матрицы X в качестве эталонного радиометрического изображения контрольного объекта, и последующей математической обработки матриц Y и X с получением матрицы А, являющейся матричным представлением аппаратной функции радиометра. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли. Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности восстанавливаемого радиолокационного изображения наблюдаемого участка земной поверхности. Сущность изобретения заключается в том, что процесс формирования изображений заключается в обработке радиосигналов, отраженных от земной поверхности, при формировании изображений производят дополнительную пространственную фильтрацию данных, поступающих с выхода согласованного приемника, корректирующим фильтром, сужая результирующую аппаратную функцию и, тем самым, уменьшая сглаживание восстанавливаемого радиолокационного изображения, при этом систематическая ошибка восстановления уменьшается. Регуляризация решения с помощью корректирующего фильтра минимизирует неоднозначность восстановления радиолокационного изображения. 5 ил.

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к радиолокационным станциям РЛС, устанавливаемым на летательных аппаратах, и предназначено для решения задач картографирования земной поверхности. Достигаемый технический результат - повышение разрешающей способности по азимуту вблизи линии пути носителя бортовым РЛС. Указанный результат достигается за счет того, что когерентно излучают и накапливают сигнал в процессе сканирования лучом диаграммы направленности антенны вблизи линии пути носителя радиолокационной станции, когда луч диаграммы направленности антенны, плавно перемещаясь, охватывает весь передний сектор, при этом когерентное накопление сигналов осуществляют по суммарному каналу и разностному азимутальному каналу антенны, затем осуществляют сигнальную обработку двух накопленных сигналов, заключающуюся в определении и компенсации фазового набега, определении крутизны частотной модуляции сигналов, выделении сигналов, накопленных слева и справа от линии пути носителя бортовой РЛС, спектральной обработке сигналов, объединении сигналов накопленных слева и справа от линии пути носителя, после формирования двух объединенных массивов амплитуд сигналов из массива амплитуд суммарного канала вычитают массив амплитуд разностного азимутального канала, а затем формируют радиолокационное изображение. 2 ил.

Изобретение относится к радиолокационной измерительной технике и может быть использовано, в частности, в составе радиолокационных измерительных стендов многочастотного импульсного зондирования и инверсного синтеза апертуры антенны, осуществляющих построение двумерных радиолокационных изображений (РЛИ) исследуемых объектов. Достигаемый технический результат - итерационное улучшение фокусировки РЛИ и уменьшение энтропии РЛИ вплоть до достижения потенциальной разрешающей способности путем последовательного уточнения расстояния от эквивалентного фазового центра антенны до точки синтезирования. Указанный результат достигается за счет вычисления для выбранного дискретного диапазона из N значений расстояния от эквивалентного фазового центра антенны до точки синтезирования соответствующего набора РЛИ объекта, оценки значения энтропии для каждого РЛИ, выбора значения расстояния с минимальной энтропией, формирования нового, меньшего в N раз, дискретного диапазона значений расстояний от эквивалентного фазового центра антенны до точки синтезирования в окрестности расстояния с минимальной энтропией и циклического повторения вычислений. Выход из итерационного цикла выполняется по достижению заданной величины уменьшения энтропии РЛИ на текущей и предыдущей итерациях. 3 ил.

Изобретение относится к области исследования радиолокационных характеристик объекта и может быть использовано при проведении исследований радиолокационной заметности, оценки эффективности мероприятий по ее снижению, а также для получения исходных данных для решения задач идентификации и распознавания объектов. Достигаемый технический результат - построение панорамного радиолокационного изображения объекта с одновременным сохранением точностных характеристик измерения координат блестящих точек объекта. Сущность способа заключается в том, что создают множество матриц синтезированных откликов в системе координат площади синтезирования, смещенных между собой на дискретный угол, за счет равномерного поворота объекта относительно геометрического центра площади синтезирования, формируют блок матриц синтезированных откликов путем преобразования их к системе координат объекта, фиксируют матрицу панорамного радиолокационного изображения объекта как результат отображения максимальных значений одинаковых элементов матриц блока. 6 ил.

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью радиометра со сканирующей по азимуту и углу места антенной. Достигаемый технический результат направлен на восстановление изображений объектов при шаге сканирования антенны радиометра по углу места, большем, чем шаг дискретизации искомого изображения. Указанный результат достигается за счет того, что формируют расширенную матрицу наблюдений путем интерполяции недостающих строк с последующей обработкой расширенной матрицы в частотной области с помощью восстанавливающего фильтра, что позволяет получать неискаженное изображение объектов. 4 ил.

Наверх