Способ повышения разрешающей способности изображений в многоканальных ртлс
Владельцы патента RU 2656355:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)
Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью многоканальных радиотеплолокационных станций (РТЛС) или радиометров со сканирующими антеннами. Достигаемый технический результат - повышение пространственного разрешения изображений в матрицах радиотеплового изображения (РТИ) в равной степени для всех каналов с сохранением температурных характеристик частотных диапазонов. Многоканальная РТЛС с несколькими совмещенными антеннами, имеющими разные характеристики диаграмм направленности (ДН), принимает сигналы в разных частотных диапазонах. Антенны сканируют зону обзора, смещаясь по азимуту и углу места. В результате сканирования и первичной обработки принимаемых сигналов в нескольких измерительных каналах (по числу антенн) формируются матрицы РТИ. Положительный эффект достигается за счет умножения матриц РТИ на определенные коэффициенты и последующей совместной обработки матриц с помощью операций восстановления изображений.
Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью многоканальных радиотеплолокационных станций (РТЛС) или радиометров [1, 2] со сканирующими антеннами.
Многоканальная РТЛС с несколькими совмещенными антеннами, имеющими разные характеристики диаграмм направленности (ДН), принимает сигналы в разных частотных диапазонах. В результате сканирования антенн зоны обзора и прохождения принимаемых сигналов через тракты первичной обработки в нескольких измерительных каналах формируются матрицы радиотеплового изображения (РТИ) контролируемого участка местности или воздушной обстановки. Каждая матрица соответствует определенной антенне. Изображения объектов в матрицах РТИ получаются нечеткими в силу ограниченной разрешающей способности антенн, определяемой шириной ДН. Амплитуды элементов матриц РТИ несут информацию о радио-яркостной температуре объектов на изображении, которая зависит от частотного диапазона. Из-за различия частотных диапазонов амплитуды соответствующих элементов матриц отличаются. Возникает необходимость повысить четкость изображения объектов (то есть разрешение) за счет дополнительной обработки матриц РТИ и при этом сохранить информацию о тепловых характеристиках объектов в частотных диапазонах.
Известны способы формирования РТИ и повышения их пространственным разрешения, основанные на использовании нескольких совмещенных антенн с разными характеристиками ДН [3, 4]. В этих способах в результате сканирования антенн по пространству формируются несколько матриц РТИ в каналах первичной обработки. Затем эти матрицы совместно обрабатываются и получается одна матрица изображения контролируемого участка местности или воздушной обстановки с повышенным пространственным разрешением. Разрешение изображения повышается за счет увеличения числа каналов с разными характеристиками ДН и операций восстановления при совместной обработке матриц РТИ.
Однако при этом не учитывается различие температурных характеристик объектов в разных частотных диапазонах. Это приводит к ошибкам восстановления изображения, то есть к снижению разрешающей способности. При этом не сохраняются тепловые характеристики объектов в частотных диапазонах, соответствующих различным антеннам.
Рассмотрим в качестве прототипа способ формирования изображений в многоканальных РТЛС и РЛС [3], который заключается в следующем:
1. Антенная система, представляющая собой несколько совмещенных антенн или антенную решетку, построчно сканирует зону обзора, смещаясь по азимуту и углу места.
2. Цифровая система обработки принимаемых сигналов измеряет в каждом q-м канале (q=1, 2, …, Q, Q - число каналов) независимо сигналы в дискретные моменты времени, совпадающие с шагами дискретизации по углу места и азимуту, и формирует из них матрицы РТИ Y1, Y2, …, YQ.
3. Полученные матрицы Y1, Y2, …, YQ последовательно и построчно сворачивают в один вектор измерений .
4. Вектор умножают справа на матрицу весовых коэффициентов Н, вычисляемую заранее, тем самым получают вектор оценок 
.
5. Вектор оценок 
разворачивают построчно в матрицу X, представляющую восстановленное изображение зоны обзора с повышенным в несколько раз разрешением по угловым координатам.
Данный способ обладает указанными выше недостатками, а именно:
1. При формировании вектора измерений не учитываются амплитудные различия искомых изображений X1, X2, …, XQ в разных частотных диапазонах антенн. Приближенно принимается: Х1=Х2=…=XQ=X, что приводит к ошибкам восстановления.
2. В элементах полученной матрицы X отсутствует информация о тепловых характеристиках объектов в разных частотных диапазонах.
Технический результат направлен на устранение указанных недостатков, а именно на повышение разрешающей способности изображений с сохранением информации о температурных характеристиках объектов в разных частотных диапазонах.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа повышения разрешающей способности изображений в многоканальных РТЛС, который заключается в сканировании зоны обзора по азимуту и углу места несколькими совмещенными антеннами РТЛС с разными ДН, принимающими сигналы в разных частотных диапазонах, формируют матрицы РТИ Y1, Y2, …, YQ по числу антенн, которые затем совместно обрабатывают, отличающийся тем, что матрицы Y1, Y2, …, YQ умножают на определенные коэффициенты μ1, μ2, …, μQ, рассчитанные заранее, сворачивают построчно полученные матрицы μ1Y1, μ2Y2, …, μQYQ в один вектор измерений , который умножают справа на матрицу весовых коэффициентов Н, вычисляемую заранее, и получают вектор оценок 
, затем разворачивают вектор 
построчно в матрицу X, умножают эту матрицу на коэффициенты 1/μ1, 1/μ2, …, 1/μQ и получают матрицы Х1=(1/μ1)⋅X, Х2=(1/μ2)⋅X, XQ=(1/μQ)⋅X восстановленного изображения зоны обзора с повышенным пространственным разрешением в разных частотных диапазонах.
Расчетная часть
Модель элементов матриц РТИ Y1={у1(i,j)}, Y2={у2(i,j)}, …, YQ={уQ(i,j)}, 
(М и N - количество строк и столбцов матриц), задается следующим выражением:
где уq(i,j) - i-й, j-й элемент матрицы Yq; αq(i,j) - функция рассеяния, описывающая действие ДН q-й антенны и тракта первичной обработки q-го канала; 
, 
элемент искомой матрицы изображения Xq={xq(i,j)} в q-м частотном диапазоне; (2m+1) и (2n+1) - размеры области определения функций αq(i,j) по углу места и азимуту в числе элементов дискретизации; pq(i,j) - нормальный шум аппаратуры q-го канала.
Задача заключается в нахождении матриц Xq={xq(i,j)} по совокупности наблюдений Y1, Y2, …, YQ на основе известных характеристик αq(i,j), 
.
Для модели наблюдений вида (1) задача решается известными методами восстановления изображений [5] независимо для каждой матрицы Yq. При одинаковой точности восстановления матриц Y1, Y2, …, YQ, присущей методу восстановления, разрешающая способность изображений Х1, Х2, …, XQ получается разной из-за различия ширины ДН антенн. При этом не достигается потенциально достижимая точность восстановления, получаемая при совместной обработке матриц Y1, Y2, …, YQ для модели наблюдений вида:
где, в отличие от модели (1), искомое изображение X={x(i,j)} одинаково во всех q-x каналах. Различие Xq проявляется в интенсивности и проникающей способности радиотеплового излучения в разных частотных диапазонах, что отражается на амплитудах элементов матриц Xq.
Примем справедливость существования коэффициентов μ1, μ2, …, μQ, таких, что выполняются равенства:
μ1X1=μ2Х2=…=μQXQ=X,
где Х - гипотетическое изображение, которое в разных частотных диапазонах воспринимается как Хq
Тогда Х1=(1/μ1)X, Х2=(1/μ2)X, … XQ=(1/μQ)X и модель (1) принимает вид:
или 
что дает основание для применения предложенного способа.
Коэффициенты μ1, μ2, …, μQ находятся эмпирически из соображений наилучшей четкости восстановления контрольных изображений X и затем используются без изменения для данного класса изображений.
Задача восстановления X по совокупности наблюдений μ1Y1, μ2Y2, …, μQYQ решается известным [3, 5] матричным методом. При этом модель (3) записывается в векторно-матричной форме:
где - вектор всей совокупности наблюдений μqуq(i,j), , выписанных построчно из матриц Yq; A={a(i,j)} - матрица, элементы которой a(i,j) получены расположением по определенному правилу значений функций αq(i,j) в первоначально обнуленной матрице А; - вектор искомого изображения, при построчном переписыванием элементов x(i,j) из матрицы Х; 
- вектор шумов, составленный из pq(i,j).
Оптимальная оценка вектора при отсутствии информации относительно X и Р находится минимизацией квадрата евклидовой нормы
т.е. методом наименьших квадратов, T - символ транспонирования.
Необходимое условие существования экстремума функции (5) дает известное выражение вектора оптимальных оценок:
где δ - параметр регуляризации (малое положительное число), необходимый для устойчивого обращения матрицы ATA; Е - единичная матрица.
Матрица Н в (6), вычисляемая заранее, является псевдообратной для А и также может быть найдена сингулярным разложением А, например, в среде Matlab: H=pinv(A, δ).
Элементы найденного в (6) вектора 
построчно заполняют матрицу X* восстановленного изображения X.
Результаты моделирования
Для двухканальной системы с двумя антеннами (Q=2) моделировалось изображение X объекта в виде геометрической фигуры в составе матрицы размером M×N=25×25. Функция αq(i,j) задавалась экспонентой с квадратичным показателем степени, взятым с коэффициентом kq. В первой матрице РТИ Y1, полученной в соответствии с (1) для широкой ДН (k1=0,1), амплитуда объекта принималась равной А1, во второй матрице Y2,, полученной для узкой ДН (k1=0,3), амплитуда объекта А2. Изображение объекта восстанавливалось по правилу (6) для разных значений ΔА=А2-А1 при А1=5 и А2>5 или А2=5 и А1>5. Различие амплитуд определялось различием частотных диапазонов антенн. Восстановленное изображение X* нормировалось делением всех элементов матрицы X* на максимальный элемент и умножением на А1, после чего сравнивалось с моделируемым изображением X1. Это давало возможность оценить по амплитуде четкость изображения.
При фиксированном коэффициенте μ1=1 выбирался коэффициент μ2 по минимуму оценки среднеквадратического отклонения (СКО) ошибки восстановления. Оптимальным значениям μ2 соответствовала минимальная оценка СКО на уровне 0,35-0,37 при ΔА>0 и на уровне 0,4-0,5 при ΔА<0. Оптимальные значения μ2 представлены в таблице в зависимости от ΔА.
Найденные для различных значений ΔА (различных частотных диапазонов) оптимальные значения μ2 использовались для получения искомых изображений: Х1*=X*, Х2*=(1/μ2)X*. Для оценки потенциально достижимой точности находилось СКО ошибки восстановления для модели (2), которое составило 0,35.
Выводы
Результаты модельного эксперимента показывают возможность применения предложенного способа в многоканальных РТЛС с несколькими антеннами. Способ позволяет повысить пространственное разрешение изображения объектов на местности или воздушной обстановки в равной степени для всех каналов с сохранением температурных характеристик частотных диапазонов.
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 2368917 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.
4. Патент RU 2379706 С2. Способ повышения разрешающей способности радиотепловых изображений / В.К. Клочко, В.В. Курилкин, А.А. Куколев, С.А. Львов. МПК: G01S 13/89. Приоритет 28.03.2008. Опубл.: 20.01.2010. Бюл. №2.
5. Василенко Г.И., Тараторин А.М. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986. 304 с.
Способ повышения разрешающей способности изображений в многоканальных радиотеплолокационных станциях (РТЛС), заключающийся в сканировании зоны обзора по азимуту и углу места несколькими совмещенными антеннами РТЛС с разными диаграммами направленности, принимающими сигналы в разных частотных диапазонах, формировании матриц радиотеплового изображения Y1, Y2, …, YQ по числу антенн, которые затем совместно обрабатывают, отличающийся тем, что матрицы Y1, Y2, …, YQ умножают на определенные коэффициенты μ1, μ2, …, μQ, рассчитанные заранее, сворачивают построчно полученные матрицы μ1Y1, μ2Y2, …, μQYQ в один вектор измерений 
, который умножают справа на матрицу весовых коэффициентов Н, вычисляемую заранее, и получают вектор оценок 
, затем разворачивают вектор 
построчно в матрицу X, умножают эту матрицу на коэффициенты 1/μ1, 1/μ2, …, 1/μQ и получают матрицы Х1=(1/μ1)⋅X, Х2=(1/μ2)⋅X, XQ=(1/μQ)⋅X восстановленного изображения зоны обзора с повышенным пространственным разрешением в разных частотных диапазонах.
