СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ В БОРТОВЫХ СИСТЕМАХ РАДИОВИДЕНИЯ
RADAR IMAGING METHOD IN ON-BOARD RADIO VISION SYSTEMS

Изобретение относится к системам активной и пассивной радиолокации наблюдения за наземной и воздушной обстановкой на базе бортовых многоканальных (с антенными решетками), а также сканирующих радиолокационных и теплолокационных станций (РЛС, РТЛС) миллиметрового диапазона и может быть отнесено также к системам оптической локации.
µ
При наблюдении за наземной и воздушной обстановкой во времени t на базе бортовых радиолокационных и радиотеплолокационных станций (РЛС, РТЛС) миллиметрового диапазона формируется матрица амплитудного радиолокационного или радиотеплолокационного изображения (РЛИ, РТЛИ) в элементах дискретизации угловых координат (угла места и азимута) с привязкой к текущему дискретному моменту времени обзора t, , например, [1]. Для трехмерных РЛИ формируется совокупность таких матриц в элементах разрешения дальности или две матрицы: матрица амплитуд и матрица третьей координаты (дальности) в элементах дискретизации угловых координат. Данные матрицы с помощью алгоритмов отображения выводятся на экран индикатора, и пилот носителя РЛС или РТЛС имеет возможность наблюдать последовательность кадров. Однако качество таких изображений снижено наличием шумовых (зернистых) пятен на изображениях из-за недостаточно высокого отношения сигнал-шум, а также смазыванием изображения из-за вибрации летательного аппарата. Возникает проблема повышения качества изображения за счет совместной обработки кадров РЛИ (РТЛИ) во времени t и устранения смазываний.
µ
µ
Известны способы устранения смазываний отдельных кадров изображения, основанные на методах восстановления (реконструкции) изображений (например, [2]), искаженных измерительным прибором или диаграммой направленности антенны ДНА) с известной аппаратной функцией искажения (смазывания), например, функция равномерного смазывания. Однако вибрации носителя с привязкой к одному дискретному моменту времени t приводят к смазыванию изображения в случайном направлении, которое не поддается описанию. Следовательно, проблема устранения смазывания может быть решена в последовательности моментов времени t одновременно с решением задачи совмещения кадров.
Наиболее близким по технической сущности является способ формирования двумерного и трехмерного РЛИ поверхности с повышенной разрешающей способностью по угловым координатам [1] с привязкой к одному моменту времени обзора, который заключается в восстановлении матрицы изображения в элементе разрешения дальности и сводится к следующим операциям.
µ
q
µ
1. В q-x приемных элементах антенной решетки РЛС или q-x каналах сканирующей по углу места (по i) и азимуту (по j) антенны РЛС с привязкой к текущему моменту времени обзора t измеряются амплитуды отраженных сигналов S(t,i,j), , ,  в k-x элементах дальности , где I×J - размер зоны обзора, K - число элементов разрешения дальности.
2. Эти амплитуды обрабатывают, умножая их на весовые коэффициенты, расчет которых осуществляют заранее по определенной методике.
µ
3. В результате получают оценки , , , , представляющие восстановленное амплитудное изображение наземной или воздушной обстановки с повышенным в несколько раз разрешением по угловым координатам в момент времени t.
µ
µ
4. Найденные оценки помещают в две матрицы: матрицу A(t,i,j) амплитудного изображения зоны обзора в i,j-x элементах дискретизации угла места и азимута и матрицу дальностей R(t,i,j) до i,j-го элемента наблюдаемой поверхности или объекта, которые с помощью алгоритмов отображения выводят на экран индикатора. Предусмотрен пересчет матриц в прямоугольную систему координат.
µ
5. Способ применим также для РТЛС. Применительно к РТЛС под элементом дальности понимается диапазон дальности в зоне обзора (K=1). Поэтому РТЛИ, в отличие от РЛИ, для фиксированного положения РТЛС в пространстве получается двумерным: A(t,i,j).
Однако данный способ обладает следующими недостатками.
µ
1. Способ не предусматривает совместной (пространственно-временной) обработки кадров РЛИ (РТЛИ), полученных в разные периоды обзора в дискретные моменты времени t, , повышающей отношение сигнал-шум.
2. Способ не учитывает и соответственно не устраняет смазываний изображений из-за вибрации носителя РТЛ (РТЛС).
Указанные недостатки приводят к снижению качества изображений, что выражается в появлении шумовых (зернистых) пятен на изображении из-за недостаточного отношения сигнал-шум, а также размывании контуров объектов на изображении из-за смазываний.
Технический результат направлен на устранение указанных недостатков, то есть на повышение качества изображения в РЛС и РТЛС.
µ
µ
µ
µ
µ
µ
µ-1
µ-1
µ
µ
µ
µ
µ
µ
µ
µ
µ
L
1
1
1
1
1
1
1
1
Э
Э
Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ формирования радиолокационного изображения в бортовых системах радиовидения заключается в формировании в каждый дискретный µ-й момент времени t обзора участка поверхности или воздушного пространства матрицы амплитудного изображения зоны обзора A(t,i,j) и матрицы дальностей R(t,i,j) в i,j-x элементах дискретизации угла места и азимута, ,  I×J - размер зоны обзора, отсчитываемых в прямоугольной антенной системе координат, отличающийся тем, что операции формирования матриц A(t,i,j) и R(t,i,j) повторяют в каждый дискретный момент времени обзора t, µ=1,2,…,L, при этом матрицы A(t,i,j) и R(t,i,j), полученные в предыдущий (µ-1)-й момент времени, экстраполируют на момент времени t с помощью преобразования координат: поворота осей и параллельного переноса по данным навигационной системы, и экстраполированные матрицы А(t,i,j), R(t,i,j) ставят в соответствие текущим матрицам A(t,i,j), R(t,i,j) и затем сравнивают амплитуды и дальности элементов в центральной области изображений, между которыми установлено соответствие, затем это соответствие уточняют корреляционно-экстремальным методом совмещения кадров и тем самым уменьшают ошибки навигационных измерений, далее указанные операции повторяют в последовательности моментов времени t, µ=1,2,…,L, а найденные значения A(t,i,j) и R(t,i,j) усредняют во времени t, что компенсирует ошибки измерения и округления до элементов дискретизации, в результате к моменту t формируют две усредненные матрицы:  и , относительно каждого i,j-го элемента которых строится плавающее окно малого размера M×N=(2m+1)×(2n+1), которое меняет свое положение, смещаясь построчно на один элемент дискретизации, и значения  и  элементов, взятые в этом окне, суммируют по i и j с весовыми коэффициентами h(i,j), расчет которых осуществляют заранее, в результате получают оценки амплитуд
1
1
и аналогично (1) получают оценки дальностей  восстановленного изображения в центральном элементе окна, затем полученные по совокупности i,j-x элементов оценки , , ,  располагают в составе (I-2m)×(J-2n)-матриц А и R, которые представляют трехмерное изображение наземной или воздушной обстановки.
Способ осуществляется следующим образом.
µ
µ
µ
1. В каждый дискретный момент времени t, µ=1,2,…,L, формируются двумерные A(t,i,j) или трехмерные: A(t,i,j) и  изображения в соответствии с известными способами восстановления изображений.
1
1
µ-1
µ-1
µ
2. Координаты х, y центра каждого i,j-го элемента матриц A(t,i,j) и R(t,i,j), взятые в антенной системе координат o, x, y, z, на основе навигационных данных об углах поворота осей ox, oy, oz и параллельном смещении носителя РЛС или РТЛС Δx, Δy, Δz экстраполируются на момент времени tв координаты ,  и округляются до ближайших элементов дискретизации i', j'.
µ
µ
µ-1
µ-1
µ
µ
Э
Э
3. Если i', j' попадают в поле матриц A(t,i,j), R(t,i,j), то значения i,j-x элементов матриц A(t,i,j), R(t,i,j) переписываются в соответствующие i',j'-e элементы экстраполированных матриц A(t,i,j), R(t,i,j). Установленное соответствие между i, j и i', j' запоминается. В противном случае фиксируется непопадание i', j'.
Э
Э
µ
µ
µ
µ
4. Для компенсации ошибок измерения навигационной системы положение матриц A(t,i,j), R(t,i,j) относительно A(t,i,j), R(t,i,j) корректируется корреляционно-экстремальным методом, и устанавливается соответствие между элементами матриц. Изменения запоминаются.
µ
µ
µ
µ
L
5. Операции п.п.1-4 повторяются в последовательности моментов времени t, а найденные значения А(t,i,j) и R(t,i,j) усредняются во времени t. В результате к моменту t формируются две матрицы:  и .
1
1
1
1
1
1
6. Относительно каждого i,j-го элемента матриц  и  строится плавающее окно размера M×N=(2m+1)×(2n+1), меньшего, чем ширина диаграммы направленности антенны (ДНА на уровне 0,5 мощности) M×N=(2m+1)×(2n+1) в числе элементов дискретизации угла места по i и азимута по j: m<m, n<n.
1
1
k
1
1
7. Окно меняет свое положение, смещаясь построчно на один элемент дискретизации, и значения  и  элементов, взятые в этом окне, суммируются по i и j с весовыми коэффициентами h(i,j), расчет которых осуществляется по методике восстановления изображений, указанной ниже, в результате получаются оценки
восстановленного изображения в центральном элементе окна.
1
1
8. Полученные по совокупности i,j-x элементов оценки , R(i,j), ,  располагают в составе (I-2m)×(J-2n)-матриц А и R, которые представляют улучшенное трехмерное изображение. В частном случае двумерного изображения формируется только одна матрица А.
Математические расчеты, положенные в основу способа, сводятся к следующему.
µ-1
1
1
1
1
µ
2
2
2
2
1
1
2
2
µ-1
µ
1
1
1
1
1
1
1
Носитель РЛС или РТЛС находится в самолетной прямоугольной системе координат, центр которой совмещен с центром носителя, ось OY совпадает с вектором скорости  движения носителя, а ось ОХ расположена в плоскости правого крыла. Антенна в момент времени t находится в прямоугольной системе координат OXYZ, а в момент t- в системе OXYZ, которые расположены определенным образом относительно самолетной системы. Оси OZ и OZпредставляют линию визирования антенны. Так как между самолетной и антенной системами существует известная связь, то ограничимся рассмотрением одной антенной системы во времени t. При движении объекта носителя РТЛС на промежутке [t, t] осуществляется поворот осей ОХ, OY и OZ на углы α, β, γ (тангаж, крен, курс), а точка O получает приращения параллельного переноса Δх, Δy, Δz.
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
Координаты центральной точки M(x,y,z), z=0, i,j-го элемента матрицы двумерного изображения, взятой в системе OXYZ, пересчитываются в координаты  системы OXYZ в соответствии с формулами поворота осей и параллельного переноса:
µ
µ
причем  для двумерных матриц A(t,i,j) и R(t,i,j) не используется.
В вычислительном плане при малых углах поворота α, β, γ формула (3) упрощается:
µ-1
µ
Полученные по формулам (3) или (4) координаты ,  округляются до ближайшего элемента дискретизации i', j'. Для снижения влияния ошибок измерения навигационной системы и округления корректируется соответствие между элементами матриц изображения, полученных в моменты времени t и t. Для этого используется пространственно-временная обработка на основе корреляционно-экстремального метода совмещения и осреднения кадров изображения [3], который покажем на примере одной матрицы амплитудного изображения.
µ-1
µ-1
µ-1
µ
µ
1
1
µ
µ
1
µ-1
µ-1
µ
1. Пусть в момент t получена матрица А=(A(t,i,j)), которая ставится в соответствие матрице A=(A(t,i,j)). На основе данных навигационной системы о движении объекта носителя РЛС или РТЛС (измерений углов поворота α, β, γ и смещений Δx, Δy, Δz) координаты центра х, y каждого i,j-го элемента матрицы А в соответствии с формулами (3) или (4) пересчитываются на момент t, то есть находятся экстраполированные значения координат ,  и соответствующие им номера i', j', при этом z в (3), (4) полагается равным нулю (плоское изображение), а координата  не используется. Значения элементов матрицы А=(A(t,i,j)) переписываются в матрицу экстраполированного изображения  по всем элементам i', j', координаты которых попадают в поле 2-го кадра А, в противном случае для i', j' фиксируются пропуски.
2. Рассматривается центральная часть матрицы  - область D, в которой пропуски заведомо отсутствуют. Даются приращения координатам i, j по всем элементам матрицы  в области D на малое число элементов дискретизации Δi, Δj, а также дополнительное приращение смещению Δz в формулах (3) или (4). Оптимальные значения Δi, Δj, Δz определяются критерием близости двух изображений:  и
µ
А, например:
3. На основе найденных значений Δi, Δj, Δz корректируются экстраполированные номера i', j'. Тем самым устанавливается более точное соответствие между элементами соседних матриц РЛИ (РТЛИ) в смысле принадлежности каждой пары этих элементов одному и тому же элементу поверхности или наблюдаемого наземного (воздушного) объекта и, как следствие, уменьшается влияние ошибок измерения и округления на пересчет координат, вследствие чего повышается точность формирования РЛИ (РТЛИ).
4. Амплитуды соответствующих элементов соседних кадров усредняются во времени t с помощью известных рекуррентных фильтров [3]. При усреднении сглаживаются ошибки измерения и повышается отношение сигнал-шум, что приводит к повышению разрешающей способности РТИ по угловым координатам. Одновременно сглаживаются шумовые (зернистые) пятна на изображении. Как следствие, повышается качество изображения.
µ
5. В случае формирования трехмерного изображения выполняются аналогичные операции со второй матрицей R(t,i,j), а критерий (5) принимает комплексный вид (члены суммы (5) для матриц амплитуд и дальностей берутся с весовыми коэффициентами).
L
Для снижения влияния вибраций на качество изображения предлагается следующее. К вибрациям можно отнести как физическое "дрожание" носителя РЛС (РТЛС), так и накапливающиеся случайные ошибки измерения и округления до элементов дискретизации. При длительном осреднении кадров указанные ошибки, а также помехи суммируются, и к моменту времени t получается равномерно смазанное изображение с повышенным отношением сигнал-шум. Для частичного устранения влияния вибраций рассматривается модель равномерного смазывания матриц в малой окрестности каждого i,j-го элемента, которую рассмотрим на примере амплитудного изображения:
1
1
1
1
где  - амплитудное изображение, смазанное за счет вибраций; A(j,j) - искомое изображение как функция двух переменных i, j; P(i,j) - центрированные гауссовские помехи; m<m, n<n (например, m=n=1).
Модель (6) отличается от более общих моделей тем, что коэффициенты смазывания (аппаратная функция g) тождественно равны единице: g(i,j)=1,∀i,j. В модели (6) число измерений меньше числа оцениваемых параметров. Решение такой некорректной задачи заключается в нахождении псевдо-оптимальных МНК-оценок A(i,j) с введением процедур регуляризации [2]. Алгоритм восстановления сводится к следующему.
1
1
1
1
1. Относительно каждого i,j-го элемента, , , искомой матрицы изображения А строится плавающее окно ограниченного размера M×N=(2m+1)×(2n+1), которое меняет свое положение, смещаясь построчно на один элемент дискретизации.
1
1
1
1
k
1
1
2. Амплитуды А(i+i,j+j), взятые в этом окне, суммируются по i и j с весовыми коэффициентами h(i,j), расчет которых осуществляется заранее по методу наименьших квадратов (МНК) [2]. В результате получается оценка
восстановленного изображения в центральном элементе окна.
1
1
3. Полученные по совокупности i,j-x элементов оценки , , , располагаются в составе (I-2m)×(J-2n)-матрицы А, которая представляет улучшенное изображение.
Для расчета весовых коэффициентов в (7) модель (6) представляется в векторно-матричной форме:
где
1
1
1
1
1
1
1
1
- MN - вектор-столбец смазанных оценок (7), взятых в окрестности i,j-го элемента; G - MN×(M+2m)(N+2n) - матрица ленточного типа с единичными элементами;  - вектор-столбец искомых оценок;  - вектор-столбец помех.
Оценивание вектора (8) осуществляется в соответствии со стандартной процедурой МНК (например, [2]):
T
где Н - матрица весовых коэффициентов; Е - единичная матрица; δ - параметр регуляризации, необходимый для обращения матрицы G G в тех случаях, когда число измерений меньше числа оцениваемых параметров; Е - символ транспонирования.
В качестве оценки (7) берется центральный элемент вектора (9) с наименьшей дисперсией ошибки оценивания. Весовые коэффициенты h(i,j) в (7) - это элементы центральной строки матрицы весовых коэффициентов Н, найденной в (9).
Предложенный способ позволяет повысить качество двумерных или трехмерных изображений поверхности, наземной или воздушной обстановки за счет пространственно-временной обработки последовательности кадров изображения и устранения влияния вибраций носителя РЛС или РТЛС. Способ может найти применение в бортовых системах активной и пассивной радиолокации, а также в оптических системах.
Литература
1. Патент RU 2292060 С1. Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02. Приоритет 28.06.2005. Опубл.: 20.01.2007. Бюл. №2.
2. Клочко В.К. Методы оптимального восстановления радиолокационных изображений поверхности // Автометрия. 2005. Т.41. №6. С.62-73.
3. Баклицкий В.К., Юрьев А.Н. Корреляционно-экстремальные методы навигации. М.: Радио и связь, 1982, 256 с.