Способ оптимального восстановления изображений в радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли в телескопическом режиме
METHOD OF OPTIMUM IMAGES RECONSTRUCTION IN RADAR LOCATION SYSTEMS OF EARTH'S REMOTE SENSING IN THE TELESCOPIC MODE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли в телескопическом режиме.
Известен способ восстановления радиолокационных изображений, который предполагает получение оценки поля изображения земной поверхности в виде выходного сигнала согласованного фильтра [1]. Однако процедура согласованной фильтрации принадлежит к классу некорректно поставленных задач, что помимо наличия систематической и флуктуационной ошибок приводит к неустойчивости решения задачи восстановления радиолокационных изображений (РЛИ). Так, например, даже при больших отношениях сигнал/шум решение может быть неустойчивым из-за наличия нулей в спектре функции неопределенности, лежащих в пределах полосы пространственных частот изображения, а также из-за траекторных нестабильностей в процессе движения носителя радиолокатора с синтезированной апертурой антенны (РСА) [2]. Это приводит к снижению разрешающей способности восстанавливаемого РЛИ наблюдаемого участка земной поверхности или вообще делает формирование РЛИ невозможным.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному изобретению является способ восстановления РЛИ в телескопическом режиме, при котором в РСА реализуется алгоритм согласованной обработки траекторного сигнала [3. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: «Радиотехника», 2005. С. 135-159]. Его недостатком является снижение разрешающей способности РЛИ при уменьшении отношения сигнал/шум, траекторных искажениях в процессе движения носителя РСА и воздействии других дестабилизирующих факторов.
Целью заявляемого изобретения является повышение качества (разрешающей способности) формируемого РЛИ наблюдаемого участка земной поверхности в телескопическом режиме.
Сущность изобретения состоит в следующем. В процессе восстановления изображения время накопления информации разбивают на равные отрезки, при этом шаг дискретизации по времени соответствует длительности интервала синтезирования апертуры. Процедуру восстановления радиолокационного изображения производят поэтапно на каждом отрезке с использованием алгоритмов восстановления случайных полей в дискретном времени. В результате получают оптимальную оценку удельного коэффициента рассеяния, характеризующего неподвижное во времени РЛИ зондируемой поверхности, и корреляционную функцию ошибки восстановления на текущем этапе, которые служат априорной информацией для вычислений на следующем этапе, что позволяет повысить качество (разрешающую способность) формируемого РЛИ.
Современные радиолокационные системы мониторинга земной поверхности позволяют применять цифровые алгоритмы обработки сигналов и управления режимами работы, что существенно расширяет возможности их практического применения. Цифровое управление параметрами системы дает возможность реализации различных видов обзора земной поверхности: переднебокового, телескопического (прожекторного), секторного и др. Любой из этих видов обзора позволяет производить многократный просмотр участка местности, представляющего интерес для оператора, однако наиболее целесообразным для этого является телескопический обзор [1].
ЦТ
ЦТ
При телескопическом обзоре радиолокационное изображение (РЛИ) формируется в виде отдельного кадра в окрестности выбранной точки – центральной точки участка местности (фиг. 1), положение которого остается неизменным (х=const, у=const). Размер кадра РЛИ определяется раскрывом диаграммы направленности антенны, а ось диаграммы направленности отслеживает центральную точку кадра РЛИ. При этом закон управления диаграммой направленности антенны [1]
ЦТ
ЦТ
0
n
0
где х, у - пространственные координаты центральной точки, введенные в соответствии с фиг. 1; γ - угол между осью диаграммы направленности антенны и нормалью к земной поверхности; V - путевая скорость летательного аппарата; t - текущее время; h - высота полета; L - длина интервала синтезирования апертуры.
с
n
c
В данном случае время синтезирования апертуры Т=L/V, а общее время наблюдения Т=mT, где m - количество периодов синтезирования.
с
с
с
Именно при телескопическом обзоре удается добиться условий, при которых время накопления информации значительно больше длительности синтезирования, т.е. Т>>Т, что позволяет существенно повысить качество (разрешение) формируемого РЛИ. Принцип формирования изображения в телескопическом режиме предполагает последовательное многократное зондирование одного и того же участка местности в различных условиях (фиг. 1). Это соответствует разбиению общего времени накопления информации Т на равные отрезки, соответствующие длительности периода синтезирования апертуры Т. Данное обстоятельство позволяет применить для решения задачи формирования РЛИ алгоритмы оптимального восстановления случайных полей в дискретном времени [4]. При этом шагом дискретизации по времени будет являться длительность интервала синтезирования апертуры Т. Необходимо отметить, что в данной постановке понятия «восстановление» и «формирование» РЛИ совпадают.
С учетом выше изложенного, сигнал на входе системы формирования РЛИ в телескопическом режиме может быть записан в виде
Здесь
T
j
j
j
с
ij
неизменный за время накопления информации удельный коэффициент рассеяния, характеризующий неподвижное во времени РЛИ зондируемой поверхности Ω;  - количество этапов обработки, определяемое числом интервалов наблюдения (периодов синтезирования апертуры) за общее время накопления информации Т; r=[x, y] - вектор пространственных координат в области Ω; S(t, u(r)) - полезный сигнал на j-м интервале наблюдения, который в данном случае является линейным функционалом от пространственной реализации u(r); F(t, r) - значения зондирующего сигнала F(t) в каждой точке зондируемой поверхности Ω на j-м интервале наблюдения; n(t) - гауссовский белый (как на интервале синтезирования Т, так и на всем интервале наблюдения Т) шум (ГБШ) на j-м интервале наблюдения с нулевым математическим ожиданием и корреляционной функцией , где δ - символ Кронекера.
Конкретизируя общий алгоритм оптимального восстановления случайных полей в дискретном времени [4] применительно к задаче формирования изображений в системах активного зондирования при телескопическом обзоре (2), (3), получим соответствующие уравнения для оценки  и корреляционной функции ошибки восстановления
0
u
Здесь  и R(r, r')=R(r, r') - априорные математическое ожидание и корреляционная функция модели исходного изображения u(r) соответственно [5].
с
Как видно из полученных выражений (4), (5), процедура формирования РЛИ в телескопическом режиме осуществляется рекуррентно во времени с шагом, равным интервалу синтезирования Т.
Рассмотрим задачу формирования неподвижной во времени строки изображения в системах радиовидения при телескопическом обзоре:
j
S
с
j
где F(t, x) - зондирующий сигнал на входе приемника с мощностью P; L - длина строки изображения; Т - время синтезирования; и n(t) - ГБШ с известными характеристиками.
Строка исходного изображения задается гауссовской моделью с нулевым математическим ожиданием
и корреляционной функцией
u
где D - дисперсия строки изображения.
Конкретизируя общий алгоритм (4), (5) применительно к задаче (7)-(9), получим
где  - отношение сигнал/шум на входе устройства обработки.
На фиг. 2 приведена зависимость нормированной интегральной дисперсии ошибки восстановления строки изображения u(х), x∈[0, L] от количества этапов обработки (интервалов синтезирования) для различных значений отношения сигнал/шум q:
j
где L - длина строки, R(x, x) - дисперсия ошибки восстановления, определяемая из (11).
j
j
Из фиг. 2 видно, что с увеличением количества этапов обработки j→∞ качество восстановления строки изображения возрастает, т.е. нормированная интегральная дисперсия ошибки восстановления D→0. Отмеченный эффект проявляется сильнее при больших отношениях сигнал/шум. При малых же q тенденция сходимости D к нулю сохраняется, однако требуется большее количество этапов обработки. Данный факт свидетельствует о высокой эффективности разработанного способа восстановления и полностью согласуется с теоретическими выводами.
В заключении следует отметить, что в качестве основного метода обработки траекторного сигнала в существующих РСА используется субоптимальный метод согласованного приема [3], где в отличие от оптимальной процедуры восстановления предполагается получение оценки поля изображения земной поверхности в виде выходного сигнала согласованного фильтра
а получаемое изображение  полностью характеризуется функцией неопределенности
которая представляет собой (в отсутствие помех) изображение точечного отражающего объекта. Протяженность функции неопределенности по пространственным координатам характеризует разрешающую способность системы зондирования. Так, например, размер элемента разрешения вдоль направления синтезирования определяется протяженностью раскрыва антенны в этом направлении и равен ее половине, а в перпендикулярном направлении (по дальности) - обратно пропорционален ширине спектра зондирующего сигнала [3].
j
В [6] показано, что при статистической регуляризации решения задачи восстановления на основе критерия минимума среднего квадрата ошибки импульсная характеристика корректирующего фильтра будет определяться корреляционной функцией ошибки восстановления R(t, r, r'') (в телескопическом режиме определяемая выражением (5)), а обобщенная функция неопределенности примет вид
j
0j
j
На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что разработанный способ восстановления изображений в радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли в телескопическом режиме (4), (5) позволяет проводить рекуррентную обработку наблюдаемого сигнала ξ(t), при которой с ростом количества этапов обработки j→∞ происходит уменьшение протяженности обобщенной функции неопределенности по пространственным координатам ψ(t, r, r') (за счет уменьшении нормированной интегральной дисперсии ошибки восстановления D (12)), что позволяет повысить разрешающую способность РЛС землеобзора.
На фиг. 3 представлена структурная схема устройства, реализующего алгоритм (4) и (5). Основными блоками устройства являются:
- блок формирования сигналов (БФС), генерирующий значения зондирующего сигнала F(t) в каждой точке зондируемой поверхности Ω на j-м интервале наблюдения с использованием априорных сведений о зондирующем сигнале и навигационной информации;
j
- блок вычисления пространственно-распределенной корреляционной функции ошибки восстановления R, на каждом j-м этапе обработки, реализующий процесс вычисления R(r, r') в соответствии с выражением (5);
j
- устройство весовой обработки (УВО), которое на каждом j-м этапе обработки формирует корректирующую поправку W(r) для оценки случайного поля РЛИ , полученной на предыдущем этапе обработки:
j
Из фиг. 3 видно, что рекуррентная структура формирования оценки предполагает на каждом j-м этапе еще и пространственно-временную обработку принимаемого сигнала ξ(t) по правилу (6). Двойными линиями на схеме показана связь по всем значениям пространственной координаты r.
Новизна изобретения заключается в новом подходе к процессу формирования изображений в радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли в телескопическом режиме, основанном на принципе последовательного многократного зондирования одного и того же участка местности в различных условиях, позволяющем применить для решения задачи формирования РЛИ алгоритмы оптимального восстановления случайных полей в дискретном времени.
Изобретательский уровень характеризуется применением известных ранее алгоритмов оптимального восстановления случайных полей в дискретном времени для решения задачи формирования изображений в радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли в телескопическом режиме, в целях повышения разрешающей способности РЛС землеобзора за счет оптимальной рекуррентной обработки наблюдаемого сигнала.
Данное изобретение является промышленно применимым при разработке перспективных и модернизации существующих РЛС с синтезированной апертурой антенны, предназначенных для дистанционного зондирования Земли в телескопическом режиме.
Источники информации
1. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Н.А. Сазонов, Е.Ф. Толстов, А.В. Шаповалов и др.; Под ред. В.Т. Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988. - С. 22-40.
2. Фалькович С.Е., Пономарев В.И., Шкварко Ю.В. Оптимальный прием пространственно-временных сигналов в радиоканалах с рассеянием. - М.: Радио и связь, 1989. - С. 242-248.
3. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С. Кондратенкова. - М.: Радиотехника, 2005. - С. 135-159.
4. Обнаружение, распознавание и определение параметров образов объектов. Методы и алгоритмы / под ред. А.В. Коренного. - М.: Радиотехника, 2012. - С. 51-73.
5. Коренной А.В. Математические модели полутоновых изображений // Радиотехника. - 2007. - №8. - С. 79-81.
6. Коренной А.В., Лепешкин С.А. Оптимальное восстановление изображений в радиолокационных системах мониторинга земной поверхности // Радиотехника. - 2010. - №11. - С. 6-9.