Способ формирования изображений объектов в радиометре с двумя антеннами
Владельцы патента RU 2646434:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)
Изобретение относится к пассивным радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра с двумя антеннами, принимающими сигналы в двух частотных диапазонах. Достигаемый технический результат – повышение пространственного разрешения изображения в первой матрице, полученной для широкой диаграммы направленности (ДНА), до разрешения второй матрицы, полученной для узкой ДНА, с сохранением температурных характеристик частотного диапазона первой. Указанный результат достигается тем, что в способе формирования изображения используют две антенны, одна из которых имеет широкую диаграмму направленности, а другая антенна - узкую ДНА. Наличие двух антенн необходимо для определения излучающих свойств объектов в разных частотных диапазонах. 4 ил.
Изобретение относится к пассивным радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра [1, 2] с двумя антеннами, принимающими сигналы в двух частотных диапазонах. Одна антенна имеет широкую диаграмму направленности (ДНА), а вторая антенна - узкую ДНА. Наличие двух антенн с разными ДНА определяется необходимостью исследования излучающих свойств объектов в разных частотных диапазонах, связанных с шириной ДНА [1, с. 291, табл. 6.1].
При сканировании антенн по азимуту съем данных осуществляется с определенным шагом дискретизации, определяющим количество элементов в строке формируемых матриц радиометрического изображения (в дальнейшем - матриц изображения). Переход к другой строке производится, как правило, изменением угла места на величину, большую, чем шаг дискретизации по азимуту. Этим достигается увеличение скорости формирования матриц изображения в двух каналах первичной обработки принимаемых сигналов. Две матрицы получаются с пропусками строк (прореженные вдоль строк), и имеют одинаковые размеры, но отличаются пространственным разрешением, зависящим от ширины ДНА. Пропущенные строки заполняются методом интерполяции [3].
Пространственное разрешение первой матрицы (в дальнейшем - разрешение), полученной для широкой ДНА, в несколько раз хуже, чем разрешение второй матрицы, полученной для узкой ДНА из-за различий в ширине ДНА. Возникает необходимость повысить разрешение первой матрицы, полученной для широкой ДНА, до разрешения второй матрицы, полученной для узкой ДНА, сохранив температурные характеристики частотного диапазона первой. Повысить разрешение можно с помощью способа восстановления изображений, например [3].
Рассмотрим в качестве прототипа способ восстановления изображений объектов по разреженной (прореженной) матрице радиометрических наблюдений [3]. Способ заключается в построчном сканировании антенны радиометра по азимуту и углу места с определенным шагом и формировании матрицы изображения с последующей обработкой полученной матрицы в частотной области. Способ отличается тем, что пропущенные строки заполняют с помощью линейной интерполяции соответствующих элементов соседних наблюдаемых строк, затем полученную расширенную матрицу подвергают действию оператора восстановления изображения в области пространственных частот (фильтра Винера) и получают матрицу восстановленного изображения объектов.
Данный способ в его применении к радиометру с двумя антеннами обладает следующим недостатком. При восстановлении изображения в первой матрице, полученной для широкой ДНА, разрешение повышается в несколько раз. Однако в такое же число раз повышается разрешение во второй матрице, полученной для узкой ДНА, за счет аналогичных операций восстановления изображения. В итоге повысить разрешение в первой матрице до разрешения второй матрицы не удается.
Технический результат направлен на устранение этого недостатка, а именно на повышение разрешения в первой матрице, полученной для широкой ДНА, до разрешения второй матрицы, полученной для узкой ДНА, с сохранением температурных характеристик частотного диапазона.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа формирования изображения объектов в радиометре с двумя антеннами, который заключается в построчном сканировании по азимуту и углу места первой антенны радиометра с широкой ДНА, приеме сигналов в первом частотном диапазоне и формировании первой матрицы изображения с пропусками строк, заполнении пропущенных строк с помощью интерполяции и восстановлении изображения в матрице с помощью фильтра Винера. Способ отличается тем, что используют вторую антенну с узкой ДНА, сканирующую одновременно с первой антенной и принимающую сигналы во втором частотном диапазоне, формируют вторую матрицу изображения с пропусками строк, пропущенные при сканировании строки матрицы заполняют с помощью интерполяции, подвергают матрицу операциям восстановления с помощью фильтра Винера, затем с помощью операций сегментации разбивают вторую матрицу на непересекающиеся однородные по температуре сегменты, для каждого сегмента второй матрицы устанавливают соответствующие этому сегменту элементы первой матрицы, вычисляют среднюю температуру этих элементов и присваивают ее всем соответствующим элементам первой матрицы, в результате чего получают первую матрицу с повышенным пространственным разрешением, равным разрешению второй матрицы, с сохранением температурных характеристик первого частотного диапазона.
Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.
1. Первая антенна радиометра с шириной круговой ДНА Δ0,5 на уровне 0,5 мощности (например, Δ0,5=30) сканирует зону обзора по азимуту и углу места. В результате формируется матрица радиометрического изображения Y1={y1(i,j)} с элементами y1(i,j), 
где i и j - номер строки и столбца матрицы, M и N - количество ее строк и столбцов.
2. Одновременно вторая антенна радиометра с шириной ДНА Δ0,5/m (например, m=3) сканирует ту же зону обзора, в результате чего формируется вторая матрица изображения Y2={y2(i,j)}, 
с повышенным в m раз разрешением по азимуту и углу места в сравнении с Y1.
3. Пропущенные при сканировании антенн строки матриц Y1 и Y2 заполняются методом интерполяции (линейной, биквадратной или бикубической) путем обработки элементов соседних наблюдаемых строк.
4. Полученные матрицы Y1 и Y2 подвергаются двумерному преобразованию Фурье и получаются спектральные матрицы 
и 
5. Элементы матриц 
и 
умножаются на передаточную функцию 
восстанавливающего фильтра Винера [4] и получаются спектральные матрицы оценок 
и 
6. Матрицы 
и 
подвергаются обратному преобразованию Фурье: и получаются матрицы X1={x1(i,j)}, X2={x2(i,j)}, 
восстановленного изображения объектов в пространственной области.
7. Матрица X2 разбивается на K непересекающихся однородных по амплитуде подобластей D1, D2, …, DK с помощью оператора сегментации [4]. В результате получается матрица S={S(i,j)}, 
где S(i,j) - номер сегмента, которому принадлежит i-й, j-й элемент матрицы X2 и соответствующий ему i-й, j-й элемент матрицы X1.
4. Для каждого s-го сегмента вычисляется средняя радиометрическая амплитуда 
на основе i-x, j-x элементов x1(i,j) матрицы X1 с меткой s:
i,j:S(i,j)=s,
где ns - количество элементов с меткой s.
5. Всем элементам x1(i,j) матрицы X1 с меткой s присваивается амплитуда 
В результате формируется матрица X1={x1(i,j)}, 
с повышенным в m2 раз (по площади) пространственным разрешением, амплитуды элементов которой x1(i,j) представляют температурные характеристики частотного диапазона первой антенны.
Результаты эксперимента. Натурный эксперимент проводился с помощью радиометра с двумя антеннами: первая антенна с широкой ДНА в 3° принимала сигналы в 8 мм диапазоне длин волн при наблюдении объектов на местности на расстоянии 30 м с шагом сканирования по углу места в 1°, вторая антенна - с узкой ДНА в 1° принимала сигналы в 3 мм диапазоне с тем же шагом сканирования по углу места. Пропущенные строки восстанавливались методом линейной интерполяции. На фигуре 1 показано видеоизображение наблюдаемого участка местности с тремя объектами в виде щитов. На фигуре 3 слева направо - изображение матрицы наблюдения Y1, соответствующее 8 мм диапазону, и изображение матрицы X1, восстановленное после обработки матрицы Y1 фильтром Винера. На фигуре 4 слева направо - изображение матрицы наблюдения Y2, соответствующее 3 мм диапазону, и изображение матрицы X2, восстановленное после обработки матрицы Y2 фильтром Винера. На фигуре 2 - изображение матрицы X1 после выполнения операций предлагаемого способа над матрицами X1 и X2.
Изображение объектов на фигуре 2, полученное с помощью предлагаемого способа, более четкое в сравнении с изображением объектов на фигуре 3 и содержит информацию о температуре объектов в 8 мм диапазоне в амплитудах сегментов.
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 2600573. Способ восстановления изображений объектов по разреженной матрице радиометрических наблюдений.
4. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006. 616 с.
Способ формирования изображения объектов в радиометре с двумя антеннами, заключающийся в построчном сканировании по азимуту и углу места первой антенны радиометра с широкой диаграммой направленности антенны (ДНА), приеме сигналов в первом частотном диапазоне и формировании первой матрицы изображения с пропусками строк, заполнении пропущенных строк с помощью интерполяции и восстановлении изображения в матрице с помощью фильтра Винера, отличающийся тем, что используют вторую антенну с узкой ДНА, сканирующую одновременно с первой антенной и принимающую сигналы во втором частотном диапазоне, формируют вторую матрицу изображения с пропусками строк, пропущенные при сканировании строки матрицы заполняют с помощью интерполяции, подвергают матрицу операциям восстановления с помощью фильтра Винера, затем с помощью операций сегментации разбивают вторую матрицу на непересекающиеся однородные по температуре сегменты, для каждого сегмента второй матрицы устанавливают соответствующие этому сегменту элементы первой матрицы, вычисляют среднюю температуру этих элементов и присваивают ее всем соответствующим элементам первой матрицы, в результате чего получают первую матрицу с повышенным пространственным разрешением, равным разрешению второй матрицы, с сохранением температурных характеристик первого частотного диапазона.
