Способ формирования радиотеплового изображения
METHOD FOR GENERATING A RADIO THERMAL IMAGE

Изобретение относится к пассивным радиотеплолокационным системам (РТЛС) наблюдения миллиметрового диапазона длин волн, предназначенным для формирования радиотеплового изображения объектов в зоне обзора.
Из уровня техники известны способы формирования радиотеплового изображения объектов в зоне обзора с помощью сканирующего радиометра, работающего в миллиметровом диапазоне длин волн и совмещенного с фотокамерой (Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация (пассивная радиолокация). М.: Сов. радио, 1964, с. 335) и (Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы: в 2 т. / Т. 1. М.: ИКИ РАН, 2014, с. 544).
Известны способы формирования изображений с помощью сканирующей антенны, основанные на формировании матрицы наблюдений и обработки полученной матрицы с помощью методов восстановления изображений.
Известен способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой на базе бортовой РЛС (патент RU №2284548, опубликовано 27.09.2006, МПК G01S 13/02 (2006.01). Способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой заключается в формировании матрицы радиолокационного изображения поверхности или воздушной обстановки в средах дальности, при этом за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места соответственно на величину n-й и m-й части ширины ДНА и обрабатывают полученные при каждом положении луча амплитуды отраженных сигналов путем их суммирования с весами, вычисленными заранее по определенной методике.
Известен способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС (патент RU №2292060, опубликовано 20.01.2007, МПК G01S 13/02 (2006.01). Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС, основанный на работе в режиме реального луча с электронным сканированием, заключающийся в формировании матрицы радиолокационного изображения воздушной обстановки или поверхности в срезах дальности. При этом за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места построчно соответственно на величину n-й и m-й части ширины ДНА в зоне обзора, измеряют амплитуды сигналов отражения при каждом i-м, j-м положении луча и формируют из этих амплитуд матрицу измерений y'(i,j), суммарного канала, которую далее обрабатывают. Дополнительно формируют матрицу измерений y'(i,j), разностного канала, затем обрабатывают полученные матрицы для каждого i, j-ro положения луча, при этом элементы матриц y(i+k, j+1) и y'(i+k, j+1), взятые относительно i, j в окне размера M×N, суммируют с весами h(k,l) и h'(k,l), найденными заранее, и оценивают амплитуду x(i,j), соответствующую центральной m-й, n-й части ДНА при i-й, j-м положении луча, указанные операции повторяют для всех i, j в зоне обзора и тем самым получают матрицу оценок амплитуд представляющую восстановленное радиолокационное изображение воздушной обстановки или поверхности в заданных элементах дальности с повышенным в несколько раз разрешением по угловым координатам.
К недостаткам данных способов можно отнести то, что восстановить изображение с точностью до шага дискретизации матрицы изображения в этих способах не удается из-за наличия ошибок восстановления. Это выражается остаточной размытостью (нечеткостью) изображения.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ формирования изображений в многоканальных РТЛС и РЛС (патент RU №2368917, опубликовано 27.09.2009, МПК G01S 13/89 (2006.01), который выбран в качестве прототипа. Способ формирования изображений в многоканальных РТЛС и РЛС применим и для одноканального радиометра. Алгоритмически данный способ заключается в следующем:
1. Антенна радиометра построчно сканирует зону обзора. Съем данных в каждой строке производится с шагом дискретизации Δϕ по азимуту (по j), а переход к другой строке осуществляется с шагом Δθ по углу места (по i). Принятый на каждом i-м, j-м шаге сканирования сигнал проходит тракт первичной обработки и регистрируется в цифровой форме величиной y(i,j), подчиненной модели наблюдений вида:
i
j
где Y={y(i,j)} - M×N-матрица радиотеплового изображения области D обзора; μ - нормирующий множитель; α(i,j) - аппаратная функция (АФ) описывающая действие диаграммы направленности антенны (ДНА) в i-х, j-х элементах дискретизации угла места θ и азимута ϕ, тракта первичной обработки и атмосферных влияний; x(i,j) - элементы искомого изображения, представляющие интенсивность электромагнитного поля излучения в i-м, j-м угловом направлении (в температурной шкале); p(i,j) - шумы аппаратуры; 2m+1 и 2n+1 - соответственно ширина ДНА по углу места и азимуту в количестве элементов дискретизации; числа М и N определяют размеры зоны обзора в количестве строк и столбцов искомой матрицы X={x{i,j)}.
1
1
1
1
1
1
2. Матрица Y подвергается операциям восстановления изображения с помощью оператора восстановления R, то есть оценивания ненаблюдаемых величин x(i,j) на основе наблюдений y(i,j) и известной функции α(i,j) в пространственной или частотной областях [6, 7]: X=R[Y]. Результатом восстановления изображения области D является M×N-матрица Y={y(i,j)} оценок y(i,j), подчиненных модели:
1
l
1
1
где μ - коэффициент усиления системы восстановления; - β(i,j) - функция рассеяния точки (ФРТ), описывающая остаточное искажение x(i,j) в (2m+1)×(2n+1)-окрестности i-й, j-й точки в силу ограниченной точности восстановления и низкого контраста в Y; p(i,j) - остаточные шумы.
1
1
1
1
Недостаток данного способа заключается в том, что пространственное разрешение полученного изображения (2), определяемое размером (2m+1)×(2n+1)-области определения ФРТ, при m>0, n>0 превышает размер 1×1 элемента (пикселя) матрицы радиотеплового изображения.
1
1
1
1
Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, заключается в том, что пространственное разрешение полученного изображения, определяемое размером (2m+1)×(2n+1)-области определения ФРТ, при m>0, n>0 превышает размер 1×1 элемента (пикселя) матрицы радиотеплового изображения.
Технический результат направлен на обеспечение возможности на базе сканирующего радиометра формировать радиотепловое изображение зоны обзора с пространственным разрешением, соответствующим размерам элементов искомой матрицы изображения.
1
1
1
1
1
1
2
2
1
2
2
1
2
1
2
2
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа формирования радиотеплового изображения, который заключается в сканировании антенной радиометра зоны обзора по азимуту и углу места, формировании по результатам сканирования матрицы наблюдений Y, обработке матрицы Y оператором восстановления R и получении матрицы Y=R[Y] радиотеплового изображения. При этом способ отличается от прототипа тем, что радиометр совмещают с фотокамерой, которая дает матрицу Х оптического изображения зоны обзора при центральном положении антенны. В матрице Х меняют масштаб на соответствие масштабу матрицы Y и получают матрицу Х, которую с помощью оператора R подвергают операциям сегментации по контрасту суммы амплитуд соответствующих элементов матриц Y и X, взятых с определенными весовыми коэффициентами, и получают матрицу меток S=R[Y,X], где каждому i-му, j-му элементу присвоен номер s сегмента, которому он принадлежит. Затем усреднением элементов матрицы Y с меткой s определяют среднюю радиометрическую амплитуду каждого s-го сегмента и присваивают эту амплитуду элементам матрицы Х с той же меткой s, в результате из матрицы Х получают матрицу радиотеплового изображения с повышенным пространственным разрешением.
Алгоритмически способ осуществляется следующим образом:
1. В результате сканирования антенной радиометра зоны обзора по азимуту и углу места формируется матрица наблюдений Y с элементами y(i,j), , отвечающими модели (1).
1
1
1
1
2. Матрица Y подвергается операциям восстановления с помощью оператора восстановления R, в результате получается матрица Y=R[Y] с элементами y(i,j), отвечающими модели (2).
1
1
1
1
3. При центральном положении антенны с помощью совмещенной с радиометром фотокамеры получается матрица Х оптического изображения зоны обзора с элементами x(i,j), , где M=k⋅M, N=k⋅N, k - масштабный множитель (целое число).
1
1
2
2
4. Матрица Х приводится в соответствие масштабу матрицы Y, в результате получается матрица Х с элементами x(i,j), вычисляемыми по формуле:
.
2
2
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
1
1
1
2
5. Полученная матрица Х сегментируется (Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006.? с. 616) с помощью оператора сегментации R: S=R[Y,X] по контрасту суммы амплитуд wy(i,j)+wx(i,j) соответствующих элементов матриц Y и Х, взятых с весовыми коэффициентами w≥0 и w≥0, w=1-w, где w зависит от контраста изображения объектов в матрице Y. В результате получается матрица S={S(i,j)}, , где S(i,j) - номер сегмента, которому принадлежат соответствующие i-e, j-е элементы матриц Y и Х.
1
1
6. Для каждого s-го сегмента вычисляется средняя радиометрическая амплитуда  на основе i-x, j-x элементов y(i,j) матрицы Y сметкой s:
,
s
где n - количество элементов с меткой s.
2
2
2
2
2
7. Всем элементам x(i,j) матрицы Х с меткой s присваивается амплитуда . В результате формируется матрица Х={x(i,j)},  радиотеплового изображения с повышенным пространственным разрешением, элементы x(i,j) которой отвечают модели (3).
Предлагаемый способ формирования радиотеплового изображения позволяет на базе сканирующего радиометра формировать радиотепловое изображение зоны обзора с пространственным разрешением, соответствующим размерам элементов искомой матрицы изображения. Тем самым обеспечивается формирование четкой тепловой карты зоны обзора и объектов наблюдения. Способ применим в существующих радиометрических системах.