Способ восстановления изображений в двухканальной сканирующей системе



Способ восстановления изображений в двухканальной сканирующей системе

 


Владельцы патента RU 2612323:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

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 пассивным [1, 2] двухканальным сканирующим системам наблюдения, работающим в оптическом, инфракрасном или миллиметровом диапазонах длин волн.

Система наблюдения состоит из двух измерительных каналов. Каждый канал содержит приемное устройство - приемник, регистрирующий излучаемое объектами поле в ограниченном объеме пространства в соответствии со своей диаграммой направленности (ДН), а также тракт первичной обработки принимаемых сигналов. Приемники одновременно сканируют зону обзора размером M×N элементов дискретизации по азимуту и углу места. Первый приемник движется непрерывно вдоль строки (по азимуту) со съемом данных с малым шагом дискретизации h и осуществляет переход к другой строке с увеличенным шагом k1⋅h, k1>1, где (k1-1) - число пропущенных подряд строк. Второй приемник, наоборот, движется непрерывно вдоль столбца (по углу места) со съемом данных с малым шагом дискретизации h и осуществляет переход к другому столбцу с увеличенным шагом k2⋅h, k2>1, где (k2-1) - число пропущенных подряд столбцов.

По результатам первичной обработки формируются две матрицы наблюдений: Y1={y1(i,j)}, , и Y2={y2(i,j)}, , . Пропущенные при сканировании строки и столбцы в матрицах Y1 и Y2 присутствуют, но не рассматриваются.

Модель наблюдений имеет следующий вид:

, ,

,

, ,

где α(i,j) - весовая функция с областью определения , , представляющая нормированную ДН приемника; X={x(i,j)} - матрица искомого изображения с элементами x(i,j), подлежащими восстановлению на множестве элементов дискретизации , ; P1(i,j) и p2(i,j) - шумы аппаратуры в приемных каналах в виде белого шума.

Задача заключается в восстановлении изображения X={x(i,j)} на множестве элементов дискретизации , путем обработки полученных наблюдений Y1={y1(i,j)} и Y2={y2(i,j)}.

Такая задача относится к классу некорректных обратных задач и решается как в пространственной, так и частотной области [3] с применением методов регуляризации, повышающих устойчивость решения.

Оптимальное решение задачи восстановления изображения X с позиции известных критериев [4] для двумерной модели измерений (1) в пространственной области требует больших предварительных вычислительных затрат и памяти при обращении матриц, что снижает устойчивость решения. При больших значениях М и N реализовать матричные методы не удается.

Оптимальное решение в частотной области [5] требует обработки всех строк и столбцов на множестве , , что достигается интерполяцией пропущенных строк и столбцов матриц Y1 и Y2. Несмотря на удобство реализации частотных методов, ошибки интерполяции наблюдений существенно снижают точность восстановления изображений.

На практике целесообразно перейти от (1) к упрощенной модели наблюдений, не учитывающей пропуски строк и столбцов:

,

где α1(j) и α2{i) - соответственно центральное горизонтальное и вертикальное сечения ДН, причем α1(0)=α2(0); - случайные аддитивные составляющие, порожденные шумами аппаратуры и ошибками аппроксимации при переходе от (1) к (2).

Число оцениваемых параметров в (2) значительно меньше, чем в (1).

В рамках модели (2) ставится одномерная задача независимого восстановления изображений в i-x строках Х1(i) и j-x столбцах Х2(j) матрицы X путем обработки i-х строк Y1(i), матрицы Y1 и j-x столбцов Y2(j), матрицы Y2. Задача решается известными способами.

В качестве прототипа может быть рассмотрен любой способ восстановления одномерного изображения: матричный способ [4] или способ фильтра Винера [5], действие которых применительно к поставленной задаче сводится к следующему:

1. На вход подается i-я строка Y1(i) первой матрицы наблюдений Y1 или j-й столбец Y2(j) второй матрицы наблюдений Y2 - одномерный массив числовых данных объема М или N.

2. К массиву данных применяется оператор восстановления, основанный на пространственной или частотной обработке.

3. В результате действия оператора восстановления на выходе получается i-я строка Х1(i) или j-й столбец Х2(j) восстановленного изображения в виде нового массива данных объема М или N.

Совокупность восстановленных строк X1(i), и столбцов X2(j), N дает матрицу Xp решетчатой структуры восстановленного изображения, в которой пропущенные строки и столбцы присутствуют, но не рассматриваются.

Такой способ формирования изображений обладает следующим недостатком: решетчатая структура матрицы Xp, полученная при шаге сканирования большем, чем шаг дискретизации (k>1), дает прореженное по строкам и столбцам изображение, что затрудняет или делает невозможным распознавание изображений объектов наблюдения.

Технический результат направлен на устранение указанного недостатка, а именно на восстановление пропущенных строк и столбцов искомой матрицы изображения с целью восстановления изображения в целом.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ восстановления изображений в двухканальной сканирующей системе заключается в том, что при наблюдении зоны обзора с помощью двух приемников, первый из которых дает матрицу наблюдений Y1 с пропусками строк, а второй - матрицу наблюдений Y2 с пропусками столбцов, обрабатывают наблюдаемые i-е строки Y1(i) матрицы Y1 и наблюдаемые j-е столбцы Y2(j) матрицы Y2 оператором восстановления одномерных массивов и в результате этой обработки получают в той же нумерации i-е строки Х1(i) матрицы Х1 восстановленного изображения по строкам и j-е столбцы Х2(j) матрицы Х2 восстановленного изображения по столбцам, отличающийся тем, что пропущенные строки матрицы Х1 восстанавливают путем линейной интерполяции соседних не пропущенных строк и получают матрицу , а пропущенные столбцы матрицы Х2 восстанавливают путем линейной интерполяции соседних не пропущенных столбцов и получают матрицу , затем все соответствующие пары элементов матриц и сравнивают к заданным уровнем γ и выбирают из каждой пары один элемент, наиболее близкий в этому уровню, после чего выбранные элементы помещают в матрицу X, которая представляет восстановленное изображение без пропусков строк и столбцов.

Способ осуществляют следующим образом:

1. Два приемника одновременно сканируют зону обзора размером M×N элементов дискретизации по азимуту (по j) и углу места (по i).

2. По результатам первичной обработки формируются две матрицы наблюдений: Y1={y1(i,j)}, , и Y2={y2(i,j)}, , , где k1, k2>1. Первый приемник дает матрицу наблюдений Y1 с пропусками строк, а второй - матрицу наблюдений Y2 с пропусками столбцов. Пропущенные при сканировании строки или столбцы присутствуют в матрицах Y1 и Y2, но не рассматриваются.

3. Наблюдаемые i-e строки Y1(i) матрицы Y1 и наблюдаемые j-е столбцы Y2(j) матрицы Y2 обрабатывают оператором восстановления одномерных массивов и в результате этой обработки получают в той же нумерации i-e строки X1(i), матрицы Х1 восстановленного изображения по строкам и j-е столбцы Х2(j), матрицы Х2 восстановленного изображения по столбцам.

4. Пропущенные строки матрицы Х1 заполняются методом линейной интерполяции: между соседними наблюдаемыми строками матрицы Х1 помещаются k1-1 строк по числу k1-1 недостающих элементов дискретизации угла места, а элементы этих строк находятся линейной интерполяцией соответствующих элементов i-й и (i+1)-й строк матрицы Х1 по формуле:

Δх1=(х1(i+k1,j)-х1(i,j))/k1,

x1(i+i1,j)=y(i,j)+Δx1⋅i1, , , .

Подобным образом заполняются пропущенные столбцы матрицы Х2:

Δх2=(х2(i+k2,j)-х2(i,j))/k2,

x2(i,j+j2)=x2(i,j)+Δx2⋅j2, , , .

5. После интерполяции получается матрица с повышенным разрешением по азимуту и матрица с повышенным разрешением по углу места.

Затем матрицы и объединяются в M×N-матрице оценок искомого изображения X следующим образом.

6. Все пары , соответствующих элементов матриц и , сравниваются с заданным уровнем γ. Из двух элементов и выбирается один элемент, наиболее близкий к этому уровню. Он запоминается как i-й, j-й элемент x(i,j) матрицы X, представляющей восстановленное изображение без пропусков строк и столбцов.

7. Уровень γ назначается человеком-оператором из физических соображений. Уровень может меняться в процессе наблюдения с целью повышения четкости отдельных деталей изображения.

Результаты моделирования. Способ реализовывался с применением операторов восстановления одномерных изображений в пространственной области (матричный метод) и частотной области (метод фильтра Винера). Методы показали близкую точность восстановления изображения вдоль строк и столбцов. Дополнительно небольшим порогом снимались шумовые эффекты на восстановленном изображении. При моделировании ширина ДН составляла (2m+1)×(2n+1)=7×7, отношение сигнал-шум (С-Ш) 30 и 50 при максимальной амплитуде 5, шаг по строкам и столбцам к=1, 2, 3, 4, размер объекта наблюдения L×L=5×5. ДН задавалась экспоненциальной функцией с квадратичным показателем степени. Уровень γ задавался числом 5.

В таблице представлены оценки среднеквадратического отклонения (СКО) ошибки восстановления изображения, полученные сравнением моделируемого и восстановленного изображений на множестве реализаций эксперимента, в зависимости от величины шага k по строкам и столбцам при разном отношении сигнал-шум.

В первой строке значений СКО даны результаты, полученные предлагаемым способом. Вторая строка значений СКО соответствует прототипу, когда пропущенные строки и столбцы предварительно обнулялись, и восстановленное изображение представляло собой решетчатую матрицу. В третьей строке значений СКО представлены результаты, полученные оптимальным матричным способом восстановления, принимаемым за эталон, при совместной обработке двух матриц наблюдения Y1 и Y2, подобно предложенному способу, но на основе двумерной модели измерений (1).

Оценка разрешающей способности изображений осуществлялась нахождением минимального расстояния dmin, измеряемого в количестве строк между двумя объектами, при котором они четко различались на восстановленном изображении. Разрешение dmin=2, соответствующее 1/2 ширины ДН, достигалось: для предложенного способа при шаге k=2, для прототипа - при шаге k=1, для эталона - при шаге k=3.

Предложенный способ отличается значительной простотой реализации и не имеет ограничений на размеры матрицы изображения. Он уступает в точности восстановления оптимальному способу, который, однако, можно реализовать только для небольших матриц изображения. Результаты моделирования показали приемлемое качество восстановленного изображения.

Способ может найти применение в существующих сканирующих системах наблюдения микроволнового диапазона [2], а также в системах оптического и инфракрасного диапазонов, предназначенных для обнаружения и распознавания объектов по их восстановленному изображению.

Литература

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

2. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. М.: Радиотехника. 2008. 320 с.

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

4. Патент RU 2 368 917 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.

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

Способ восстановления изображений в двухканальной сканирующей системе, заключающийся в том, что при наблюдении зоны обзора с помощью двух приемников, первый из которых дает матрицу наблюдений Y1 с пропусками строк, а второй - матрицу наблюдений Y2 с пропусками столбцов, обрабатывают наблюдаемые i-е строки Y1 (i) матрицы Y1 и наблюдаемые j-е столбцы Y2 (j) матрицы Y2 оператором восстановления одномерных массивов и в результате этой обработки получают в той же нумерации i-е строки Х1 (i) матрицы Х1 восстановленного изображения по строкам и j-е столбцы Х2 (j) матрицы Х2 восстановленного изображения по столбцам, отличающийся тем, что пропущенные строки матрицы Х1 восстанавливают путем линейной интерполяции соседних не пропущенных строк и получают матрицу , а пропущенные столбцы матрицы Х2 восстанавливают путем линейной интерполяции соседних не пропущенных столбцов и получают матрицу , затем все соответствующие пары элементов матриц и сравнивают к заданным уровнем γ и выбирают из каждой пары один элемент, наиболее близкий в этому уровню, после чего выбранные элементы помещают в матрицу X, которая представляет восстановленное изображение без пропусков строк и столбцов.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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 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.
Наверх