Способ восстановления изображений при неизвестной аппаратной функции

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 радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра [1, 2], а также может быть использовано в радиолокации, радиоастрономии и в оптико-электронных системах.

Известны способы восстановления изображений [3, 4] по результатам наблюдений с помощью сканирующей по угловым координатам (азимуту и углу места) антенны или фоточувствительного приемника. Моделью наблюдений в таких системах является свертка вида:

где y(ij) - результат измерения сигнала, принятого с i,j-го дискретного углового направления в координатах θ - угла места, φj - азимута и прошедшего тракт первичной обработки; 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, отражающие действие ДНА и преобразований в тракте первичной обработки; x(i,j) - искомые величины, имеющие смысл интенсивности излучения в i,j-м направлении объекта наблюдения; p(i,j) - шумы аппаратуры.

Совокупность X={x(i,j)}, , представляет матрицу искомого изображения объекта наблюдения, Y={y(i,j)} - матрицу наблюдений, P={p(i,j)} - матрицу помех, , Восстановление X осуществляется в пространственной или частотной областях [5] на основе наблюдений Y и аппаратной функции α(i, j), .

Проблема заключается в том, что аппаратная функция α(i,j) точно неизвестна, и для ее нахождения требуется проведение эксперимента. Известен метод нахождения аппаратной функции [5, с. 23], основанный на фильтрующем свойстве дельта функции δ(θ,φ) или функции Кронекера k(ij) для дискретной модели (1). Если в качестве x(i,j) взять точечный источник излучения с амплитудой U: x(i,j)=U·k(i-i0, j-j0), то измерения, полученные при сканировании относительно точки (i0,j0), повторяют форму аппаратной функции с точностью до помех: y(i,j)=Uα(i,j)+p(i,j). Однако значения аппаратной функции при таком подходе будут искажены действием помех, и требуется поиск оптимальных решений подавления помех.

Рассмотрим в качестве прототипа способ восстановления изображения [3] в пространственной области, который заключается в следующих матричных преобразованиях:

1. Матрица наблюдений Y построчно переписывается в (M-2m)(N-2n)-вектор , матрица искомого изображения X - построчно в MN-вектор , матрица помех P представляется (М-2m)(N-2n)-вектором , значения аппаратной функции α(i,j) располагаются в составе (М-2m)(N-2n)xMN-матрицы A по определенному правилу, изложенному, например, на языке MATLAB:

2. В принятых обозначениях выражение (1) принимает вид векторно-матричного уравнения:

Решением уравнения (2) по критерию минимума квадрата нормы ошибок восстановления:

то есть метода наименьших квадратов (МНК), является вектор оценок:

где T - символ транспонирования, Е - единичная матрица, δ - параметр регуляризации, необходимый для устойчивого обращения матрицы АT A, причем матрица весовых коэффициентов Н=(АTА+δE)-1 АT вычисляется на основе известной матрицы А.

3. Вектор построчно переписывается в матрицу , которая представляет восстановленное изображение объекта.

Рассмотренный способ, как и другие способы восстановления изображений как в пространственной, так и в частотной областях, обладает следующим недостатком. Ошибки восстановления сильно зависят от ошибок задания аппаратной функции, и способ оказывается неустойчивым к ошибкам аппаратной функции. Поэтому перед операциями восстановления требуется нахождение оптимальных оценок аппаратной функции α(i,j) с наименьшими ошибками оценивания, например, в смысле МНК.

Технический результат направлен на нахождение аппаратной функции α(i,j) по методу МНК при восстановлении изображений объектов.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ восстановления изображений при неизвестной аппаратной функции заключается в умножении вектора наблюдений справа на матрицу весовых коэффициентов Н, рассчитанную по МНК ошибок восстановления, что дает в результате оптимальный вектор искомого изображения , отличающийся тем, что перед операциями восстановления формируется вектор наблюдений эталонного изображения , который умножается справа на матрицу весовых коэффициентов W, рассчитанную для эталонного изображения по критерию МНК ошибок оценивания аппаратной функции, в результате получается оптимальный вектор оценок аппаратной функции , элементы которого используются при вычислении матрицы весовых коэффициентов Н.

Расчетная часть.

Модель измерения (1) записывается в виде:

или в векторно-матричной форме:

где - вектор-столбец измерений y(i,j), считанных построчно из матрицы Y={y(i,j)}; - вектор-столбец искомых значений аппаратной функции α(i,j), записанных построчно из матрицы {α{i,j)}; - вектор-столбец помех p(i,j); Х1-(M-2m)(N-2n)×(2m+1)(2n+1) - матрица элементов x(i,j), переписанных из матрицы X по определенному правилу, изложенному, например, на языке MATLAB:

Из (4) по критерию минимума квадрата нормы

то есть МНК, находится оценка вектора относительно и Х1:

умножением справа вектора на матрицу весовых коэффициентов:

При необходимости для обращения матрицы в (5) используется регуляризация: . Однако число наблюдений в у больше числа оцениваемых параметров в векторе и матрица хорошо обусловлена.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Предварительно выполняют следующие операции:

1.1. Известная матрица ХЭ={xЭ(i,j)}, , эталонного изображения представляется в форме матрицы Х1.

1.2. При сканировании поля эталонного изображения ХЭ по пространству получается матрица YЭ, которая переписывается в вектор .

1.3. По формуле (5) вычисляется матрица весовых коэффициентов W и вектор умножается справа на эту матрицу. В результате получается вектор оптимальных оценок , элементы которого записываются в матрицу оценок значений аппаратной функции .

1.4. Для найденной матрицы вычисляется матрица весовых коэффициентов .

2. В рабочем режиме при восстановлении изображения X выполняют следующие операции:

2.1. При сканировании поля искомого изображения X по пространству получается матрица наблюдений Y, которая переписывается в вектор .

2.2. Вектор умножается справа на матрицу Н, в результате получается вектор оптимальных оценок .

2.3. Элементы вектора построчно переписываются в матрицу , которая представляет восстановленное изображение объекта.

Замечание. Взятые из состава вектора оценки аппаратной функции можно использовать и при других способах восстановления изображений, например с помощью восстанавливающего фильтра Винера в частотной области [5].

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 2292060.

4. Патент RU 2379706.

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

Способ восстановления изображений при неизвестной аппаратной функции, заключающийся в умножении вектора наблюдений справа на матрицу весовых коэффициентов H, рассчитанную по методу наименьших квадратов (МНК) ошибок восстановления, что дает в результате оптимальный вектор искомого изображения , отличающийся тем, что перед операциями восстановления формируется вектор наблюдений эталонного изображения , который умножается справа на матрицу весовых коэффициентов W, рассчитанную для эталонного изображения по критерию МНК ошибок оценивания аппаратной функции, в результате получается оптимальный вектор оценок аппаратной функции , элементы которого используются при вычислении матрицы весовых коэффициентов H.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью радиометра со сканирующей по азимуту и углу места антенной.

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 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 радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационного изображения (РЛИ) в процессе дистанционного зондирования земной (водной) поверхности. Достигаемый технический результат - повышение разрешения радиолокационного изображения по наклонной дальности и расширение динамического диапазона за счет синхронизации момента начала записи эхо-сигнала с началом очередного зондирования. Указанный результат достигается за счет того, что способ формирования радиолокационного изображения в радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны состоит в зондировании, приеме, запоминании эхо-сигналов, определении момента начала зондирования, построении двумерной матрицы путем построчного с момента начала зондирования считывания отсчетов запомненного эхо-сигнала, сжатии двумерной матрицы по дальности и азимуту, при этом во время запоминания принятого эхо-сигнала в моменты начала зондирования осуществляют вставку пауз длительностью τи путем его амплитудной манипуляции, а во время определения момента начала зондирования осуществляют интегрирование абсолютного значения запомненного сигнала в пределах скользящего окна, представляющего собой временной строб с длительностью τи и изменяющимся временным смещением от нулевого значения, соответствующего началу запоминания эхо-сигнала, до значения, равного периоду зондирования, определяют временное положение минимума полученного интеграла, который соответствует моменту начала зондирования. 2 ил.

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 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.

Наверх