СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В РАДИОМЕТРЕ С ДВУМЯ АНТЕННАМИ
METHOD OF OBJECTS IMAGE FORMATION IN RADIOMETER WITH TWO ANTENNAS

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.
0,5
0,5
1
1
1
0
1. Первая антенна радиометра с шириной круговой ДНА Δ на уровне 0,5 мощности (например, Δ=3) сканирует зону обзора по азимуту и углу места. В результате формируется матрица радиометрического изображения Y={y(i,j)} с элементами y(i,j),  где i и j - номер строки и столбца матрицы, M и N - количество ее строк и столбцов.
0,5
2
2
1
2. Одновременно вторая антенна радиометра с шириной ДНА Δ/m (например, m=3) сканирует ту же зону обзора, в результате чего формируется вторая матрица изображения Y={y(i,j)},  с повышенным в m раз разрешением по азимуту и углу места в сравнении с Y.
1
2
3. Пропущенные при сканировании антенн строки матриц Y и Y заполняются методом интерполяции (линейной, биквадратной или бикубической) путем обработки элементов соседних наблюдаемых строк.
1
2
4. Полученные матрицы Y и Y 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
1
1
2
2
6. Матрицы  и  подвергаются обратному преобразованию Фурье: и получаются матрицы X={x(i,j)}, X={x(i,j)},  восстановленного изображения объектов в пространственной области.
2
1
2
K
2
1
7. Матрица X разбивается на K непересекающихся однородных по амплитуде подобластей D, D, …, D 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 X и соответствующий ему i-й, j-й элемент матрицы X.
1
1
4. Для каждого s-го сегмента вычисляется средняя радиометрическая амплитуда  на основе i-x, j-x элементов x(i,j) матрицы X с меткой s:
i,j:S(i,j)=s,
s
где n - количество элементов с меткой s.
1
1
1
1
1
2
5. Всем элементам x(i,j) матрицы X с меткой s присваивается амплитуда  В результате формируется матрица X={x(i,j)},  с повышенным в m раз (по площади) пространственным разрешением, амплитуды элементов которой x(i,j) представляют температурные характеристики частотного диапазона первой антенны.
1
1
1
2
2
2
1
1
2
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 Y, соответствующее 8 мм диапазону, и изображение матрицы X, восстановленное после обработки матрицы Y фильтром Винера. На фигуре 4 слева направо - изображение матрицы наблюдения Y, соответствующее 3 мм диапазону, и изображение матрицы X, восстановленное после обработки матрицы Y фильтром Винера. На фигуре 2 - изображение матрицы X после выполнения операций предлагаемого способа над матрицами X и X.
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.