СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ В ДВУХКАНАЛЬНОЙ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
METHOD OF FORMING OBJECTS IMAGES IN DOUBLE-CHANNEL RADIOMETRIC SYSTEM

Изобретение относится к пассивным системам радионаблюдений за объектами [1, 2] с помощью двухканального сканирующего радиометра, работающего в миллиметровом диапазоне длин волн (3-8 мм) с шириной диаграммы направленности антенны 1-3°. Каждый канал представляет собой антенну, принимающую излученный сигнал в определенном диапазоне длин волн, и тракт первичной обработки, включающий высокочастотный усилитель, квадратичный детектор, фильтр низких частот (ФНЧ), аналого-частотный преобразователь и регистрирующее устройство, запоминающее в цифровой форме матрицу (кадр) изображения объектов.
i
j
i
j
i
j
i
j
k
i
j
k
k
Удаленные объекты излучают поле X={х(θ,ϕ)}, , , элементы дискретизации которого x(θ,ϕ) имеют смысл интенсивности излучения в i,j-м направлении и рассматриваются в системе угловых координат наблюдателя: θ - по углу места и ϕ - по азимуту. Число N определяет размер поля X по строке и столбцу. Антенная система построчно сканирует участок местности, смещаясь по азимуту непрерывно с определенной скоростью, зависящей от времени накопления сигнала в ФНЧ, и по углу места дискретно путем механического переключения. При каждом θ,ϕ-м угловом положении антенны принимаемая часть поля X усиливается радиометром и после ФНЧ регистрируется в виде напряжения y(θ,ϕ)=y(i,j) в каждом k-м канале: , K - число каналов. Величины y(i,j) носят интегральный (суммарный) характер и на множестве значений i,j подчинены модели измерений вида:
k
k
где 2n+1 - ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) по углу места (по i) и азимуту (по j) на уровне 0,5 мощности в количестве i,j-х элементов дискретизации; α(i,j) - нормированные значения ДНА в k-м канале; p(i,j) - шумы аппаратуры в виде белого шума.
k
k
1
Совокупность Y={y(i,j)} формирует матрицу изображения в расширенной зоне обзора, соответствующей размерам матрицы X, на выходе k-го канала. При наличии одного канала задача заключается в повышении разрешающей способности радиометрического изображения Y по азимуту и углу места за счет восстановления ненаблюдаемого поля X={x(i,j)} на основе наблюдений (1) при K=1 и решается известными методами восстановления изображений, например [3, 4].
1
2
Известен способ формирования изображений в многоканальных радиотеплолокационных (РТЛС) и радиолокационных (РЛС) системах [5], который рассмотрим в качестве прототипа. Способ применительно к двухканальной (K=2) радиометрической системе и модели измерений (1) для Y и Y заключается в следующем:
1. Две антенны с разными характеристиками ДНА построчно сканируют зону обзора, смещаясь по азимуту (по j) и углу места (по i) с малым шагом, равным шагу дискретизации.
1
2
2. Система первичной обработки принимаемых сигналов измеряет в каждом k-м канале (k=1, 2) сигналы в дискретные моменты времени, совпадающие с i,j-ми шагами дискретизации по углам, составляющими (2n+1)-ю часть ширины ДНА, и формирует из них две матрицы изображений Y и Y.
1
2
3. Полученные матрицы Y и Y последовательно и построчно сворачиваются в один вектор измерений .
4. Вектор  умножается справа на матрицу весовых коэффициентов Н, вычисляемую заранее по методу, представленному в расчетной части заявки, тем самым получается вектор оценок .
5. Вектор оценок  разворачивается построчно в матрицу X, представляющую восстановленное изображение в зоне обзора с повышенным разрешением по угловым координатам.
Данный способ обладает следующим недостатком. Скорость сканирования по азимуту определяется временем накопления сигнала в ФНЧ, которое составляет от 0,1 с до 1 с [2]. Поэтому построчное сканирование зоны обзора, например, с угловыми размерами 30°×30° при малом шаге дискретизации занимает десятки минут, что недопустимо при наблюдении за движущимися объектами. Для уменьшения времени наблюдения (формирования кадра изображения) увеличивают шаг сканирования по углу места (в несколько раз по сравнению с шагом дискретизации). Однако при этом снижаются точность восстановления изображения и соответственно разрешающая способность.
Технический результат направлен на устранение указанного недостатка, а именно на повышение точности восстановления и разрешающей способности изображения в двухканальной радиометрической системе, работающей с повышенным шагом сканирования по углу места.
1
2
1
1
2
Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что в способе формирования изображений объектов в двухканальной радиометрической системе, заключающемся в том, что при наблюдении удаленных объектов с помощью двух сканирующих антенн линию визирования первой антенны смещают по азимуту (по j) в каждой i-й строке на величину шага дискретизации и по углу места (по i) на величину, в несколько раз превышающую шаг дискретизации, измеряют при каждом i,j-м положении антенны в первом измерительном канале значения амплитуд приемных сигналов и формируют из них матрицу изображения Y, которую далее обрабатывают, согласно изобретению одновременно используют вторую сканирующую антенну, линию визирования которой смещают по углу места (по i) в каждом j-м столбце на величину шага дискретизации и по азимуту (по j) на величину, также в несколько раз превышающую шаг дискретизации, измеряют при каждом i,j-м положении антенны во втором измерительном канале значения амплитуд приемных сигналов и формируют из них матрицу изображения Y, которую далее обрабатывают совместно с матрицей Y, при этом элементы полученных матриц измерений Y и Y переписывают последовательно и построчно в один вектор измерений , который умножают справа на матрицу весовых коэффициентов Н, вычисляемую заранее, тем самым получают вектор оценок , затем переписывают вектор  построчно в матрицу X, которая представляет восстановленное изображение объектов в зоне обзора с повышенным разрешением по угловым координатам.
Способ осуществляют следующим образом.
1. Две антенны одновременно сканируют зону обзора размером N×N элементов дискретизации по азимуту и углу места. Первая антенна движется непрерывно вдоль строки (по азимуту) со съемом данных с малым шагом дискретизации h и осуществляет переход к другой строке с увеличенным шагом mh, где m - целое число, принимающее значения от 1 до n, то есть mh максимально составляет половину от ширины ДНА в 2n+1 элементов дискретизации. Вторая антенна, наоборот, движется непрерывно вдоль столбца (по углу места) со съемом данных с малым шагом дискретизации h и осуществляет переход к другому столбцу также с увеличенным шагом mh.
1
1
2
2
1
2
2. Сигналы с первой и второй антенн одновременно проходят тракты первичной обработки в двух измерительных каналах, и по результатам сканирования формируются две матрицы измерений: Y={y(i,j)}, ,  и Y={y(i,j)}, , . Пропущенные при сканировании строки или столбцы в матрицах Y и Y не рассматриваются.
1
2
1
2
2
3. Элементы матриц Y и Y последовательно (вначале Y, затем Y) и построчно переписываются в один вектор-столбец  размером в 2(N-2n) строк.
2
2
4. Вектор  умножается справа на матрицу весовых коэффициентов Н, размером в N строк и 2(N-2n)(N-2n) столбцов, вычисленную заранее по определенному правилу, изложенному в расчетной части заявки. В результате умножения получается вектор  размером в N строк.
5. Элементы вектора  переписываются построчно в матрицу X={x(i,j)}, , , которая представляет восстановленное изображение объектов в зоне обзора с повышенным разрешением по угловым координатам.
Расчетная часть
При сканировании зоны обзора двумя антеннами модель измерений (1) принимает вид следующей системы:
которую можно представить в векторно-матричной форме:
a
a
a
alfa
2
2
1
1
2
1
1
где  - вектор измерений;  - вектор искомого изображения;  - вектор помех; A={(i,j)}-Nx2(N-2n) - матрица значений ДНА, элементы которой (i,j) получены из α(i,j) по определенному правилу в соответствии с (2). Ниже показан пример (первый столбец и затем второй столбец программы) заполнения предварительно обнуленной матрицы A={(i,j)} значениями (i,j)=α{i-n-1,j-n-1), ,  на языке Matlab, где N - номер последних строки и столбца искомой матрицы X, участвующих в образовании Y и Y (N=N при m=1 и N≤N при m>1):
В соответствии с методом наименьших квадратов (МНК) поиск оценки  подчиняем критерию минимума квадрата евклидовой нормы:
где "Т" - символ транспонирования. Из необходимого условия существования экстремума функционала (3) находим МНК-оценки :
Т
+
+
где Е - единичная матрица; δ>0 - малый параметр регуляризации, необходимый для устойчивого обращения матрицы А А. Матрица А в (4) является псевдообратной для А и может быть найдена также сингулярным разложением А, например, в среде Matlab: А=pinv(А, δ).
Результаты моделирования
В таблице приведены данные компьютерного моделирования предложенного способа. Ширина ДНА составляла 2n+1=7 элементов дискретизации, отношение сигнал-шум (С-Ш) 30 и 50 при максимальной амплитуде 5, шаг сканирования в числе элементов дискретизации m=1, 2, 3, размер объекта наблюдения в 5×5=25 элементов дискретизации. ДНА задавалась экспоненциальной зависимостью с квадратичным показателем степени. Дополнительно небольшим порогом снимались шумовые эффекты на восстановленном изображении. В ячейках таблицы даны оценки среднеквадратического отклонения (СКО) ошибки восстановления, полученные сопоставлением моделируемого и восстановленного изображений.
1
В первой строке значений СКО показаны результаты предлагаемого способа. Во второй строке значений СКО для сравнения приведены результаты, полученные в аналогичных условиях моделирования при использовании только одной антенны (обработке подлежала матрица Y).
Видно, что использование двух одновременно сканирующих антенн с разными характеристиками увеличивает точность восстановления по сравнению с одной антенной, что приводит к повышению пространственной разрешающей способности. При этом повышение точности компенсирует понижение точности из-за увеличенного шага сканирования. Увеличенный в m раз шаг сканирования, в свою очередь, увеличивает в m раз скорость формирования матрицы изображения, в чем проявляется преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом.
Предложенный способ может найти применение в существующих радиометрических системах микроволнового диапазона [6], а также в оптических системах инфракрасного диапазона, предназначенных для обнаружения и распознавания объектов по их восстановленному изображению.
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. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. - М.: Радио и связь, 1986. 304 с.
4. Пирогов Ю.А., Тимановский А.Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения миллиметрового диапазона / Радиотехника, 2006. №3. С. 14-19.
5. 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.
6. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. - М.: Радиотехника. 2008. 320 с.