Способ формирования радиотеплового изображения объектов
Владельцы патента RU 2713731:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" (RU)
Изобретение относится к пассивным системам видения оптического, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн, предназначенным для наблюдения за объектами, и может найти применение в пассивных системах ближнего зондирования наземных и воздушных объектов. Достигаемый технический результат – сокращение времени сканирования радиометрического приемника за счет передачи угловых координат центров объектов от оптического приемника радиометрическому приемнику с последующим сканированием в малой окрестности переданных ему координат. Указанный результат достигается за счет того, что система состоит из радиометрического приемника (радиометра) со сканирующей антенной, совмещенного с оптическим приемником. Приемники наблюдают объекты в заданном секторе обзора. По результатам наблюдения формируются матрицы радиотеплового и оптического изображения объектов.
Изобретение относится к пассивным системам видения оптического, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн [1], предназначенным для наблюдения за объектами. Система состоит из радиометрического приемника (радиометра) со сканирующей антенной, совмещенного с оптическим приемником. Приемники наблюдают объекты в заданном секторе обзора: радиометрический приемник в угловых координатах угла места и азимута, оптический приемник - в прямоугольных координатах кадра видео изображения. По результатам наблюдения формируются две матрицы: матрица радиотеплового изображения (РИ) сектора обзора и матрица оптического изображения (ОИ), или кадр видео изображения, этого же сектора обзора. Формирование РИ занимает десятки минут из-за медленного сканирования антенны в растровом (построчном) режиме с задержкой, необходимой для накопления сигнала [2]. Формирование ОИ занимает доли секунды.
Требуется увеличить скорость сканирования радиометрического приемника при формировании РИ объектов.
Известен способ формирования матрицы РИ с повышенным шагом сканирования по углу места [3], который 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 операциям восстановления изображения и получают матрицу восстановленного изображения объектов.
Это дает эффект повышения быстродействия в h раз, где h - шаг сканирования по углу места в количестве строк формируемой матрицы РИ. При обычном сканировании h=1 и строки не пропускаются. При h=2 формируется матрица РИ с пропуском через одну строку, при h=3 - в две строки.
Недостаток данного способа заключается в том, что даже при h=10 время сканирования сектора обзора занимает минуты, что недопустимо при наблюдении динамических сцен.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно на уменьшение времени сканирования в десятки раз по сравнению с прототипом при формировании радиотеплового изображения объектов с шагом сканирования h=1 без прореживания, а также без операций интерполяции и восстановления изображений.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа формирования радиотеплового изображения объектов, который заключается в построчном сканировании радиометрическим приемником сектора обзора и формировании по результатам сканирования радиотеплового изображения объектов, отличающийся тем, что совмещают с радиометрическим приемником оптический приемник и формируют видео кадр оптического изображения сектора обзора, затем определяют прямоугольные координаты центров объектов в кадре видео изображения, пересчитывают прямоугольные координаты в угловые координаты азимута и угла места и передают угловые координаты радиометрическому приемнику, после чего радиометрический приемник сканирует в малой окрестности переданных ему угловых координат и по результатам сканирования формирует радиотепловые изображения объектов.
Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.
1. Радиометрический приемник совмещается с оптическим приемником. В оптическом приемнике формируется оптическое изображение сектора обзора (кадр видео изображения).
2. Определяются прямоугольные координаты xk, yk, центров n объектов, наблюдаемых в видео кадре. В прямоугольной системе координат, совмещенной с видео кадром, оси ох и oz расположены в горизонтальной плоскости, ось оу - в вертикальной, ось oz направлена в сторону объектов.
3. Координаты xk, yk пересчитываются в угловые координаты θk, ϕk угла места и азимута в системе координат, построенной относительно центра оптической линзы - точки О. Пересчет осуществляется по формулам:
или в пределах линейной характеристики функции arctg:
где f - фокусное расстояние оптической линзы; азимут ϕ отсчитывается в горизонтальной плоскости от оси OZ, угол места - в вертикальной плоскости в направлении от горизонтальной плоскости, ось OZ направлена в сторону объектов.
4. Линия визирования антенны радиометрического приемника (биссектрисса диаграммы направленности) последовательно выводится в направления, заданные угловыми координатами θk, ϕk, 
После чего осуществляется сканирование в малой окрестности переданных угловых координат θk, ϕk, 
5. По результатам сканирования формируются радиотепловые изображения объектов в координатах θ, ϕ радиометрического приемника.
Расчетная часть
В системе координат радиометрического приемника орт 
вектора направления на k-й объект определяется как
где 
- прямоугольные координаты орта в антенной системе координат, выраженные через угловые координаты.
В системе координат оптического приемника орт вектора направления на k-й объект определяется как
Приравняем координаты ортов выражений (3) и (4):
Делением левых и правых частей (5) и взятием обратных тригонометрических функций получаем:
Второе равенство в (6) преобразуем к равносильному выражению с учетом 
Окончательно имеем выражения (1) и (2).
Расчет предельных абсолютных погрешностей Δθ и Δϕ определения угловых координат в оптическом приемнике дает следующие формулы:
где Δxy - абсолютная ошибка определения координат хк и ук в ОИ, которая равна линейному размеру пикселя матрицы видео кадра (пространственному разрешению кадра).
Пример. При xk=yk=0,1 м, Δxy=0,001 м, 
абсолютные ошибки определения угловых координат составляют Δθ~Δϕ~0,001 рад (0,057°), что на дальности г - 100 м дает линейную ошибку 
которая уменьшается с увеличением 
Угловая ошибка в 0,057° при передаче координат от оптического к радиометрическому приемнику оказывается меньше размера 0,3°×0,3° элемента матрицы РИ 100×100 (при обзоре в секторе 30°) в 5 раз. Это означает, что оптический приемник передает идеальные оценки координат для радиометрического приемника.
Далее, для сектора обзора в ϕmax=30° по азимуту при шаге сканирования ϕmax/100=0,3° и времени накопления сигнала 0,1 с формируется строка изображения в 100 элементов за 10 с. Соответственно матрица РИ 100×100 формируется за 17 мин. Для оптической системы видимого и инфракрасного диапазонов длин волн накопление сигнала отсутствует, и ОИ сектора обзора формируется за доли секунды. Поэтому угловые координаты от оптического приемника передаются радиометрическому приемнику также за доли секунды. После чего осуществляется сканирование в малой окрестности переданных координат.
Предложенный способ позволяет существенно сократить время сканирования при формировании РИ объектов. Так, в условиях примера при формировании изображения каждого объекта, наблюдаемого в пределах 3°, время сканирования сокращается до 10 с, то есть уменьшается в 100 раз.
Предложенный способ может найти применение в пассивных системах ближнего зондирования наземных и воздушных объектов.
Литература
1. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. М.: Радиотехника, 2008. 320 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. Опубл. 27.10.2016. Бюл. №30.
Способ формирования радиотеплового изображения объектов, заключающийся в построчном сканировании радиометрическим приемником сектора обзора и формировании по результатам сканирования радиотеплового изображения объектов, отличающийся тем, что совмещают с радиометрическим приемником оптический приемник и формируют видео кадр оптического изображения сектора обзора, затем определяют прямоугольные координаты центров объектов в кадре видео изображения, пересчитывают прямоугольные координаты в угловые координаты азимута и угла места и передают угловые координаты радиометрическому приемнику, после чего радиометрический приемник сканирует в малой окрестности переданных ему угловых координат и по результатам сканирования формирует радиотепловые изображения объектов.
