RU2308055C2 - Method for forming of image of sea vessel contour according to radar surveillances - Google Patents
Method for forming of image of sea vessel contour according to radar surveillances Download PDFInfo
- Publication number
- RU2308055C2 RU2308055C2 RU2005126525/09A RU2005126525A RU2308055C2 RU 2308055 C2 RU2308055 C2 RU 2308055C2 RU 2005126525/09 A RU2005126525/09 A RU 2005126525/09A RU 2005126525 A RU2005126525 A RU 2005126525A RU 2308055 C2 RU2308055 C2 RU 2308055C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- matrix
- wavelet
- echo signals
- spectra
- radar
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области управления движением морских судов (далее - судов) и предназначено для формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям с целью расширения информационной базы систем управления движением судов (СУДС) в интересах обеспечения безопасности морского движения.The invention relates to the field of traffic control of marine vessels (hereinafter referred to as vessels) and is intended to form an image of the contour of a marine vessel from radar observations in order to expand the information base of ship traffic control systems (VTS) in the interest of ensuring maritime traffic safety.
Одной из задач, стоящих перед СУДС, в условиях высокой интенсивности транспортных потоков является обеспечение безопасности движения в местах скопления судов: в проливах, на фарватерах и путях подхода судов к акваториям портов. Основными условиями безопасного движения являются: недопущение чрезмерного сближения судов до некоторой критической величины, определяющей зону безопасности вокруг судна и именуемой «корабельный домен», а также обладание текущей информацией о намерениях каждого судна.One of the tasks facing the VTS, in conditions of high traffic flows, is to ensure traffic safety in the areas of the congestion of vessels: in straits, on fairways and on the routes of approach of vessels to port water areas. The main conditions for safe movement are: prevention of excessive rapprochement of vessels to a certain critical value that defines the security zone around the vessel and referred to as the “ship domain”, as well as possession of current information about the intentions of each vessel.
Традиционно корабельным доменом считается зона вокруг судна заданного радиуса, форма и размеры которой не учитывают геометрии, фактических размеров и текущего курса судна. При этом курс судна определяется путем оценки вектора скорости по радиолокационным наблюдениям в течение нескольких оборотов антенны, что свидетельствует о запаздывании информации о направлении и характере движения судна.Traditionally, the ship's domain is the zone around the ship of a given radius, the shape and dimensions of which do not take into account the geometry, actual dimensions and current course of the ship. In this case, the ship's heading is determined by estimating the velocity vector from radar observations over several revolutions of the antenna, which indicates a delay in information about the direction and nature of the ship's movement.
В условиях высокой интенсивности движения в местах скопления судов существенную роль для контроля фактического сближения судов (наикратчайшее расстояние между ближайшими точками корпусов судов) играет информация о геометрических характеристиках (длина и ширина судна) и ориентации корпусов судов в текущий момент времени.In conditions of high traffic intensity in the places where the vessels are clustered, information on the geometric characteristics (length and width of the vessel) and the orientation of the hulls at the current time plays a significant role in monitoring the actual rapprochement of vessels (the shortest distance between the nearest points of the hulls).
В СУДС подобные сведения могут быть получены в процессе управления судами путем формирования изображения профиля корпуса каждого судна в горизонтальной плоскости (далее - контур судна) по двумерным (угол-расстояние) радиолокационным наблюдениям, получаемым за счет радиолокационного наблюдения в течение одного оборота антенны, что обеспечивает СУДС информацией о длине, ширине и курсе (угловом положении продольной оси контура) каждого судна, соответственно о фактическом сближении судов в реальном масштабе времени.In the VTS, such information can be obtained in the process of ship control by forming an image of the hull profile of each ship in the horizontal plane (hereinafter referred to as the ship’s contour) using two-dimensional (angle-distance) radar observations obtained by radar observation during one revolution of the antenna, which ensures VTS information on the length, width and course (angular position of the longitudinal axis of the contour) of each vessel, respectively, on the actual rapprochement of vessels in real time.
В целом радиолокационные наблюдения, формируемые в течение одного оборота антенны на выходе системы селекции движущихся целей (СДЦ) радиолокационной станции (включающей амплитудно-цифровой преобразователь - АЦП), представляют собой матрицу эхо-сигналов, столбцы которой формируются из радиолокационных линеек наблюдений. Радиолокационная линейка наблюдений для каждого углового положения антенны представляет собой последовательность дискретных отсчетов эхо-сигнала на выходе АЦП. Матрица эхо-сигналов формируется для каждого морского судна (далее - судно), которое попадает в зону локации СУДС.In general, radar observations generated during one revolution of the antenna at the output of the moving targets selection system (SAC) of a radar station (including an amplitude-to-digital converter - ADC) are an echo signal matrix whose columns are formed from radar observation lines. The radar line of observations for each angular position of the antenna is a sequence of discrete samples of the echo signal at the output of the ADC. A matrix of echo signals is generated for each marine vessel (hereinafter - the vessel), which falls into the VTS location zone.
Матрица эхо-сигналов содержит две главные компоненты: эхо-сигналы от корпуса судна и от поверхностного волнения моря, которые определяют информационную базу для формирования изображения контура судна.The matrix of echo signals contains two main components: echo signals from the hull of the vessel and from the surface waves of the sea, which determine the information base for forming the image of the contour of the vessel.
Эхо-сигналы от поверхностного волнения моря, являющиеся помехами, исключают возможность непосредственного получения из матрицы эхо-сигналов информации о длине, ширине и курсе судна. Для этого необходимы специальные способы формирования изображения контура судна по радиолокационным наблюдениям.Echo signals from the surface sea waves, which are interferences, exclude the possibility of directly obtaining information about the length, width and course of the vessel from the matrix of echo signals. For this, special methods are needed for imaging the contour of the vessel from radar observations.
Оговорим прежде используемые далее определения связной области, биномизации и морфологической обработки изображения.Let us discuss the previously used definitions of the connected domain, binomization, and morphological image processing.
Связная область - компактное множество пикселей, у каждого пикселя которого есть хотя бы один сосед, принадлежащий данному множеству. Пиксель - элемент изображения, в данном случае - элемент матрицы.A connected area is a compact set of pixels, each pixel of which has at least one neighbor belonging to this set. A pixel is an element of an image, in this case, an element of a matrix.
Биномизация - преобразование матрицы с элементами произвольных значений в матрицу бинарных значений (элементы матрицы содержат 1 или 0) с помощью заданного порога.Binomization is the transformation of a matrix with elements of arbitrary values into a matrix of binary values (elements of the matrix contain 1 or 0) using a given threshold.
Морфологическая обработка биномизированной матрицы с помощью двумерного морфологического фильтра - исключение связных областей биномизированной матрицы, размеры которых меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра.Morphological processing of a binomized matrix using a two-dimensional morphological filter - the exclusion of the connected areas of the binomized matrix, the sizes of which are smaller than the dimensions of the two-dimensional matrix of the morphological filter.
Известен способ выделения границ объектов на полутоновых изображениях [1] с помощью фильтров Собеля, Превита, Робертса и Канни, с помощью которых формируют изображение контура цели по двумерным (угол-расстояние) радиолокационным наблюдениям путем свертки матрицы наблюдений с маской (двумерная матрица) указанных фильтров.There is a method of highlighting the boundaries of objects in grayscale images [1] using Sobel, Previt, Roberts and Canny filters, with which they form an image of the target contour from two-dimensional (angle-distance) radar observations by convolution of the observation matrix with a mask (two-dimensional matrix) of these filters .
Двумерная матрица фильтра имеет центральный элемент. Процедура свертки (фильтрации) осуществляется путем последовательного перемещения матрицы фильтра с таким расчетом, чтобы ее центральный элемент поочередно совместился со всеми элементами матрицы эхо-сигналов. В каждом из таких положений выполняется суммирование поэлементного перемножения элементов матрицы фильтра с элементами матрицы эхо-сигналов, которые совпадают с элементами матрицы фильтра. Если результат суммирования превышает установленное заранее значение порога, то элементу результирующей матрицы (матрица изображения контура цели, полученная вследствие свертки матрицы эхо-сигналов с матрицей фильтра), координаты которого (номер строки, номер столбца) совпадают с координатами центрального элемента маски, присваивается значение 1, в противном случае - 0.The two-dimensional filter matrix has a central element. The convolution (filtering) procedure is carried out by sequentially moving the filter matrix so that its central element is alternately aligned with all elements of the echo matrix. In each of these positions, a summation of the elementwise multiplication of the elements of the filter matrix with the elements of the echo matrix that match the elements of the filter matrix is performed. If the summation result exceeds the threshold value set in advance, then the element of the resulting matrix (the image matrix of the target contour obtained by convolution of the matrix of echo signals with the filter matrix), whose coordinates (row number, column number) coincide with the coordinates of the central mask element, is assigned the
Основным недостатком рассматриваемого способа являются то, что изображение контура морского судна искажено помехами от взволнованной поверхности моря. Этот факт объясняется тем, что радиолокационные эхо-сигналы кроме эхо-сигналов от корпуса судна содержат также эхо-сигналы от взволнованной поверхности моря, которые в данном случае рассматриваются как помехи. Применение фильтров Собеля, Превита, Робертса и Канни снижает уровень помех за счет суммирования поэлементного перемножения элементов матрицы фильтра с элементами матрицы эхо-сигналов, которые совпадают с элементами матрицы фильтра, но полностью не исключает помехи от взволнованной поверхности моря на изображении контура морского судна. Таким образом, рассматриваемый способ не содержит процедур, исключающих перечисленные недостатки.The main disadvantage of this method is that the image of the contour of a marine vessel is distorted by interference from the agitated surface of the sea. This fact is explained by the fact that the radar echo signals, in addition to echo signals from the ship’s hull, also contain echo signals from the rough sea surface, which in this case are considered as interference. The use of Sobel, Previt, Roberts, and Canny filters reduces the level of interference by summing the elementwise multiplication of the filter matrix elements with the elements of the echo matrix, which coincide with the elements of the filter matrix, but do not completely exclude interference from the excited surface of the sea in the contour image of a marine vessel. Thus, the considered method does not contain procedures that exclude the listed disadvantages.
Таким образом, указанный способ выделения границ объектов на полутоновых изображениях не может быть использован для формирования изображения контура морского судна при полном подавлении помеховой компоненты от взволнованной поверхности моря.Thus, the indicated method for distinguishing the boundaries of objects in grayscale images cannot be used to form an image of the contour of a marine vessel with the complete suppression of the interference component from an excited sea surface.
Известен способ [2] выделение контура на радиолокационном изображении на основе вейвлет-преобразования, с помощью которого из матрицы, содержащей эхо-сигналы от взволнованной поверхности моря и эхо-сигналы от радиолокационной цели, столбцы которой являются радиолокационными линейками наблюдений, соответствующими угловым положениям радиолокационной антенны, получают изображение контура радиолокационной цели путем формирования биполярной матрицы вейвлет-спектров столбцов матрицы эхо-сигналов.A known method [2] is the selection of the contour in the radar image based on the wavelet transform, using which from a matrix containing echo signals from an agitated sea surface and echo signals from a radar target, the columns of which are radar observation lines corresponding to the angular positions of the radar antenna , get the image of the contour of the radar target by forming a bipolar matrix of the wavelet spectra of the columns of the matrix of echo signals.
Рассматриваемый способ использует свойство вейвлетов, согласно которому они имеют как временную, так и частотную локализацию, т.е. с помощью вейвлетов можно выделить локальные пространственные неоднородности сигнала (контур цели), используя для этого частотные свойства вейвлета как фильтра с регулируемыми параметрами. В данном способе реализуется дискретная форма (так как наблюдения после АЦП имеют дискретный характер) непрерывного вейвлет-преобразования в виде высокочастотного фильтра, с помощью которого выполняется масштабируемая процедура дифференцирования (выделения контура цели), реализованная сверткой столбцов (линеек) матрицы эхо-сигналов с пси-функцией вейвлета для заданного масштаба (j) вейвлета.The method under consideration uses the wavelet property, according to which they have both temporal and frequency localization, i.e. using wavelets, one can distinguish local spatial inhomogeneities of the signal (target contour), using the frequency properties of the wavelet as a filter with adjustable parameters. This method implements a discrete form (since the observations after the ADC are discrete) of a continuous wavelet transform in the form of a high-pass filter, with which a scalable differentiation procedure (selection of the target contour) is performed, which is implemented by convolution of columns (rulers) of the echo signal matrix with psi -wavelet function for a given scale (j) of the wavelet.
Пси-функция вейвлета представляет собой вектор, сумма элементов которого равна нулю, так как элементы первой половины вектора имеют положительные значения, а элементы второй - отрицательные. В ходе свертки с элементами радиолокационной линейки наблюдений вектор пси-функции последовательно перемещается вдоль линейки с таким расчетом, чтобы начальный элемент вектора поочередно совместился со всеми элементами линейки. В каждом из таких положений вектора пси-функции его элементы перемножаются с элементами линейки, а результат перемножения суммируется. Результат суммирования присваивается элементу результирующей линейки (линейка, полученная в результате данного вейвлет-преобразования), координаты которого совпадают с координатами первого элемента вектора пси-функции.The psi function of a wavelet is a vector whose sum of elements is zero, since the elements of the first half of the vector have positive values, and the elements of the second are negative. During the convolution with elements of the radar observation line, the psi-function vector moves sequentially along the line so that the initial element of the vector alternately coincides with all elements of the line. In each of these positions of the psi-function vector, its elements are multiplied with the elements of the ruler, and the result of the multiplication is summed. The summation result is assigned to the element of the resulting ruler (the ruler obtained as a result of this wavelet transform), the coordinates of which coincide with the coordinates of the first element of the psi-function vector.
Таким образом, в ходе последовательного перемещения пси-функции вдоль линейки для каждого положения пси-функции устанавливается значение различия между двумя смежными выборками линейки (совпадающими с первой и второй половинами элементов вектора пси-функции), размеры которых увеличиваются с ростом j.Thus, during the sequential movement of the psi-function along the ruler, for each position of the psi-function, the difference between two adjacent samples of the ruler (coinciding with the first and second halves of the elements of the psi-function vector) is established, the sizes of which increase with increasing j.
Результатом указанной свертки пси-функции вейвлета с эхо-сигналами от корпуса радиолокационной цели являются вейвлет-спектры в виде однополярных импульсов, положение которых на каждой линейке соответствует положению эхо-сигналов от отражающего элемента корпуса радиолокационной цели, тогда множество результирующих линеек образует матрицу вейвлет-спектров, на которой упомянутые однополярные импульсы образуют внешний контур корпуса радиолокационной цели.The result of this convolution of the psi function of the wavelet with echo signals from the radar target body is wavelet spectra in the form of unipolar pulses, the position of which on each line corresponds to the position of the echo signals from the reflecting element of the radar target body, then the set of resulting rulers forms a matrix of wavelet spectra , on which the said unipolar pulses form the outer contour of the casing of the radar target.
Результатом свертки пси-функции вейвлета с эхо-сигналами от поверхностного волнения моря является вейвлет-спектр помех в виде случайных биполярных импульсов.The result of the convolution of the psi-function of the wavelet with echo signals from the surface waves of the sea is the wavelet interference spectrum in the form of random bipolar pulses.
Таким образом, в целом матрица вейвлет-спектров эхо-сигналов, представляя собой сумму вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса радиолокационной цели и поверхностного волнения, является биполярной матрицей вейвлет-спектров.Thus, in general, the matrix of wavelet spectra of the echo signals, representing the sum of the wavelet spectra of the echo signals from the radar target body and surface waves, is a bipolar matrix of wavelet spectra.
С ростом параметра j увеличиваются размеры упомянутых ранее смежных выборок, т.е. увеличивается их усредняющее воздействие на помеховую компоненту, величина дисперсии вейвлет-спектра которой вследствие этого с увеличением j снижается. В тоже время амплитуды вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса радиолокационной цели с ростом параметра j увеличиваются. Выбирая оптимальное значение масштаба j, добиваются наилучшего выделения контура корпуса радиолокационной цели. Для снижения уровня помех к вейвлет-спектрам применяется адаптивный порог.With increasing parameter j, the sizes of the previously mentioned adjacent samples increase, i.e. their averaging effect on the noise component increases, the dispersion of the wavelet spectrum of which, as a result, decreases with increasing j. At the same time, the amplitudes of the wavelet spectra of the echo signals from the body of the radar target increase with increasing parameter j. Choosing the optimal value of the scale j, they achieve the best selection of the contour of the hull of the radar target. To reduce the level of interference to the wavelet spectra, an adaptive threshold is applied.
Основным недостатком рассматриваемого способа является то, что изображение контура морского судна искажено помехами от взволнованной поверхности моря.The main disadvantage of this method is that the image of the contour of a marine vessel is distorted by interference from the agitated surface of the sea.
Указанный недостаток обусловлен тем, что в ходе свертки пси-функции вейвлета со столбцами (линейками) матрицы эхо-сигналов усредняющее действие вейвлета на случайную компоненту помехи выражается лишь в уменьшении дисперсии помеховой компоненты и не исключает ее полностью. Адаптивный уровень порогового ограничения элементов вейвлет-спектров ориентирован на поддержание лишь заданного уровня ложных тревог и не позволяет полностью подавит помеховую компоненту.This drawback is due to the fact that during the convolution of the psi-function of the wavelet with the columns (rulers) of the echo matrix, the averaging effect of the wavelet on the random component of the interference is expressed only in a decrease in the dispersion of the interference component and does not completely exclude it. The adaptive level of the threshold limitation of the elements of the wavelet spectra is focused on maintaining only a given level of false alarms and does not completely suppress the interfering component.
При этом согласно рассматриваемому способу-прототипу из биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов не исключают элементы одноименной полярности, не содержащие вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса судна, не устанавливают значение порога биномизации, при котором размеры связных множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от поверхностного волнения меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра, не выполняют биномизацию матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов с помощью установленного порога биномизации, обеспечивающего исключение элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от взволнованной поверхности моря, с помощью указанного морфологического фильтра путем морфологической обработки сформированной биномизированной матрицы вейвлет-спектров не получают вейвлет-спектры эхо-сигналов в виде однополярных импульсов, положение которых на каждой радиолокационной линейке наблюдения соответствует положению эхо-сигналов от отражающего элемента корпуса судна и которые образуют внешний контур корпуса морского судна.Moreover, according to the prototype method under consideration, elements of the same polarity that do not contain wavelet spectra of echo signals from the ship’s hull are not excluded from the bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals, the binomization threshold at which the dimensions of the connected sets of binomized elements of the wavelet spectra is not set echoes from surface waves are smaller than the dimensions of a two-dimensional matrix of a morphological filter; binomization of the matrix of wavelet spectra of echo signals is not performed using the set threshold binomization, which excludes the elements of the wavelet spectra of the echo signals from the excited surface of the sea, using the indicated morphological filter by morphological processing of the generated binomized matrix of wavelet spectra, the wavelet spectra of the echo signals in the form of unipolar pulses whose position on each radar observation line are not obtained corresponds to the position of the echo signals from the reflecting element of the hull and which form the outer contour of the hull of the sea vessel.
Таким образом, указанный способ выделение контура на радиолокационном изображении на основе вейвлет-преобразования не может быть использован для формирования изображения контура морского судна при полном подавлении помеховой компоненты от взволнованной поверхности моря.Thus, the indicated method for isolating a contour in a radar image based on a wavelet transform cannot be used to form an image of the contour of a marine vessel while completely suppressing the interference component from the excited surface of the sea.
Следовательно, остается нерешенной задача формирования изображения контура морского судна по двумерным (угол-расстояние) радиолокационным наблюдениям при полном подавлении помеховой компоненты от взволнованной поверхности моря.Consequently, the problem of forming an image of the contour of a marine vessel from two-dimensional (angle-distance) radar observations while completely suppressing the interference component from the excited sea surface remains unresolved.
Известный способ выделение контура на радиолокационном изображении на основе вейвлет-преобразованвя, по своей технической сущности, функциональному назначению и достигаемому техническому результату является наиболее близким к заявляемому изобретению на способ формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям и рассматривается в дальнейшем в качестве способа-прототипа.The known method for isolating a contour in a radar image based on a wavelet transform, in terms of its technical nature, functionality and technical result achieved, is closest to the claimed invention for a method of forming an image of a contour of a marine vessel from radar observations and is further considered as a prototype method.
В основу изобретения положена задача создания способа формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям при полном подавлении помеховой компоненты от взволнованной поверхности моря. При этом учитывается, что основными информационными элементами, которые предоставляет контур судна, являются длина, ширина и курс (пространственная ориентация продольной оси симметрии контура судна) судна.The basis of the invention is the creation of a method of forming an image of the contour of a marine vessel from radar observations with the complete suppression of the interference component from the excited surface of the sea. At the same time, it is taken into account that the main information elements provided by the vessel contour are the length, width and course (spatial orientation of the longitudinal axis of symmetry of the vessel contour) of the vessel.
Поставленная задача решается тем, что в способе формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям, в котором формируют матрицу, содержащую эхо-сигналы от корпуса морского судна и от поверхностного волнения моря, столбцы которой являются радиолокационными линейками наблюдения для каждого углового положения антенны, представляющих собой последовательность дискретных отсчетов эхо-сигналов, для каждой i-й линейки, где i=1,2,...,q - номер линейки, получают биполярную матрицу вейвлет-спектров эхо-сигналов путем непрерывного вейвлет-преобразования столбцов матрицы эхо-сигналов, дополнительно из биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов исключают элементы одноименной полярности, не содержащие вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса судна, устанавливают значение порога биномизации, при котором размеры связных множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от поверхностного волнения меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра, выполняют биномизацию матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов с помощью установленного порога биномизации, обеспечивающего исключение элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от взволнованной поверхности моря, с помощью указанного морфологического фильтра путем морфологической обработки сформированной биномизированной матрицы вейвлет-спектров получают вейвлет-спектры эхо-сигналов в виде однополярных импульсов, положение которых на каждой радиолокационной линейке наблюдения соответствует положению эхо-сигналов от отражающего элемента корпуса судна и которые образуют внешний контур корпуса морского судна.The problem is solved in that in the method of forming an image of the contour of a marine vessel according to radar observations, in which a matrix is formed containing echo signals from the hull of the marine vessel and from surface sea waves, the columns of which are radar observation lines for each angular position of the antenna, which are a sequence of discrete samples of the echo signals, for each i-th line, where i = 1,2, ..., q is the number of the line, a bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals is obtained by of the burst wavelet transform of the columns of the echo matrix, additionally elements of the same polarity that do not contain the wavelet spectra of the echo signals from the ship’s hull are excluded from the bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals; spectra of echo signals from surface waves are smaller than the dimensions of a two-dimensional matrix of a morphological filter, binomization of the matrix of wavelet spectra of echo signals is performed using the updated binomization threshold, which excludes the elements of the wavelet spectra of the echo signals from the excited sea surface, using the indicated morphological filter, by morphologically processing the generated binomized matrix of wavelet spectra, the wavelet spectra of the echo signals in the form of unipolar pulses, the position of which on each radar line, are obtained observation corresponds to the position of the echo signals from the reflecting element of the hull and which form the outer contour of the hull of the ship but.
В заявленном способе формирования контура морского судна по радиолокационным наблюдениям общими существенными признаками для него и для его способа-прототипа являются:In the claimed method of forming the contour of a marine vessel by radar observations, the common essential features for him and for his prototype method are:
- формирование матрицы, содержащей эхо-сигналы от корпуса морского судна и от поверхностного волнения моря, столбцы которой являются радиолокационными линейками наблюдения для каждого углового положения антенны, представляющих собой последовательность дискретных отсчетов эхо-сигналов, для каждой i-й линейки, где i=1,2,...,q - номер линейки;- the formation of a matrix containing echo signals from the hull of the ship and from the surface waves of the sea, the columns of which are radar observation lines for each angular position of the antenna, representing a sequence of discrete samples of echo signals, for each i-th line, where i = 1 , 2, ..., q is the number of the ruler;
- получение биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов путем непрерывного вейвлет-преобразования столбцов матрицы эхо-сигналов.- obtaining a bipolar matrix of wavelet spectra of the echo signals by continuous wavelet transform of the columns of the matrix of echo signals.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа и способа-прототипа показывает, что первый, в отличие от способа-прототипа, имеет следующие существенные отличительные признаки:A comparative analysis of the essential features of the claimed method and the prototype method shows that the first, in contrast to the prototype method, has the following significant distinguishing features:
- исключение из биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов элементов одноименной полярности, не содержащих вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса судна;- the exclusion from the bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals of elements of the same polarity that do not contain the wavelet spectra of the echo signals from the hull;
- установление значения порога биномизации, при котором размеры связных множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от поверхностного волнения меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра;- setting the value of the binomization threshold at which the sizes of the connected sets of binomized elements of the wavelet spectra of the echo signals from surface waves are smaller than the dimensions of the two-dimensional matrix of the morphological filter;
- выполнение биномизации матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов с помощью установленного порога биномизации, обеспечивающего исключение элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от взволнованной поверхности моря,- performing binomization of the matrix of the wavelet spectra of the echo signals using the set binomization threshold, which ensures the exclusion of the elements of the wavelet spectra of the echo signals from the excited sea surface,
- получение с помощью указанного морфологического фильтра (путем морфологической обработки сформированной биномизированной матрицы) вейвлет-спектров эхо-сигналов в виде однополярных импульсов, положение которых на каждой радиолокационной линейке наблюдения соответствует положению эхо-сигналов от отражающего элемента корпуса судна и которые образуют внешний контур корпуса морского судна.- obtaining using the indicated morphological filter (by morphologically processing the generated binomized matrix) the wavelet spectra of the echo signals in the form of unipolar pulses, the position of which on each radar observation line corresponds to the position of the echo signals from the reflecting element of the ship’s hull and which form the outer contour of the marine hull vessel.
Совокупность признаков, обеспечивающих достижение технического результата:The set of features that ensure the achievement of a technical result:
- формирование матрицы, содержащей эхо-сигналы от корпуса морского судна и от поверхностного волнения моря, столбцы которой являются радиолокационными линейками наблюдения для каждого углового положения антенны, представляющих собой последовательность дискретных отсчетов эхо-сигналов, для каждой i-й линейки, где i=1,2,...,q - номер линейки;- the formation of a matrix containing echo signals from the hull of the ship and from the surface waves of the sea, the columns of which are radar observation lines for each angular position of the antenna, representing a sequence of discrete samples of echo signals, for each i-th line, where i = 1 , 2, ..., q is the number of the ruler;
- получение биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов путем непрерывного вейвлет-преобразования столбцов матрицы эхо-сигналов;- obtaining a bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals by continuous wavelet transformation of the columns of the matrix of echo signals;
- исключение из биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов элементов одноименной полярности, не содержащих вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса судна;- the exclusion from the bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals of elements of the same polarity that do not contain the wavelet spectra of the echo signals from the hull;
- установление значения порога биномизации, при котором размеры связных множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от поверхностного волнения меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра;- setting the value of the binomization threshold at which the sizes of the connected sets of binomized elements of the wavelet spectra of the echo signals from surface waves are smaller than the dimensions of the two-dimensional matrix of the morphological filter;
- выполнение биномизации матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов с помощью установленного порога биномизации, обеспечивающего исключение элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от взволнованной поверхности моря,- performing binomization of the matrix of the wavelet spectra of the echo signals using the set binomization threshold, which ensures the exclusion of the elements of the wavelet spectra of the echo signals from the excited sea surface,
- получение с помощью указанного морфологического фильтра (путем морфологической обработки сформированной биномизированной матрицы) вейвлет-спектров эхо-сигналов в виде однополярных импульсов, положение которых на каждой радиолокационной линейке наблюдения соответствует положению эхо-сигналов от отражающего элемента корпуса судна и которые образуют внешний контур корпуса морского судна.- obtaining using the indicated morphological filter (by morphologically processing the generated binomized matrix) the wavelet spectra of the echo signals in the form of unipolar pulses, the position of which on each radar observation line corresponds to the position of the echo signals from the reflecting element of the ship’s hull and which form the outer contour of the marine hull vessel.
Технический результат от применения заявленного способа формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям заключается в получении информации о геометрических размерах и угловом положении продольной оси контура судна при полном подавлении помеховой компоненты от взволнованной поверхности моря на изображении контура морского судна.The technical result from the application of the claimed method of forming an image of the contour of a marine vessel from radar observations is to obtain information about the geometric dimensions and the angular position of the longitudinal axis of the contour of the vessel with the complete suppression of the interference component from the excited surface of the sea in the image of the contour of the marine vessel.
Данная совокупность известных и отличительных существенных признаков достаточна и необходима для достижения заявленного технического результата.This set of known and distinctive essential features is sufficient and necessary to achieve the claimed technical result.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.Based on the foregoing, we can conclude that the set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. thanks to this combination of essential features of the invention, it has become possible to solve the problem.
Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.Therefore, the claimed invention is new, has an inventive step, i.e. it does not explicitly follow from the prior art and is suitable for industrial use.
Сущность заявленного способа формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям, поясняется чертежами:The essence of the claimed method of forming an image of the contour of a marine vessel from radar observations is illustrated by the drawings:
фиг.1. Внешний вид матрицы эхо-сигналов;figure 1. The appearance of the matrix of echo signals;
- фиг.2. Внешний вид бинарной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса судна после обработки морфологическим фильтром.- figure 2. The appearance of the binary matrix of the wavelet spectra of the echo signals from the hull of the vessel after processing with a morphological filter.
- фиг.3. Контур морского судна.- figure 3. The contour of the ship.
Заявленный способ формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям реализуется операцией 1 формирования матрицы, содержащей эхо-сигналы от корпуса морского судна и от поверхностного волнения моря (фиг.1), столбцы которой являются радиолокационными линейками наблюдения для каждого углового положения антенны, представляющими собой последовательность дискретных отсчетов эхо-сигналов, для каждой i-й линейки, где i=1,2,...,q - номер линейки; операцией 2 получения биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов путем непрерывного вейвлет-преобразования столбцов матрицы эхо-сигналов; операцией 3 исключения из биполярной матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов элементов одноименной полярности, не содержащих вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса судна; операцией 4 установления значения порога биномизации, при котором размеры связных множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от поверхностного волнения меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра; операцией 5 выполнения биномизации матрицы вейвлет-спектров эхо-сигналов с помощью установленного порога биномизации, обеспечивающего исключение элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от взволнованной поверхности моря; операцией 6 получения с помощью указанного морфологического фильтра (путем морфологической обработки сформированной биномизированной матрицы) вейвлет-спектров эхо-сигналов в виде однополярных импульсов (фиг.2), положение которых на каждой радиолокационной линейке наблюдения соответствует положению эхо-сигналов от отражающего элемента корпуса судна и которые образуют внешний контур корпуса морского судна (фиг.3).The claimed method of forming an image of the contour of a marine vessel from radar observations is carried out by step 1 of forming a matrix containing echo signals from the hull of the marine vessel and from surface sea waves (Fig. 1), the columns of which are radar observation lines for each angular position of the antenna, which are a sequence discrete samples of echo signals for each i-th line, where i = 1,2, ..., q is the number of the line; step 2 of obtaining a bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals by continuously wavelet transforming the columns of the matrix of echo signals; operation 3, exceptions from the bipolar matrix of the wavelet spectra of the echo signals of elements of the same polarity that do not contain the wavelet spectra of the echo signals from the hull; operation 4 of setting the binomization threshold value, in which the sizes of the connected sets of binomized elements of the wavelet spectra of the echo signals from surface waves are smaller than the dimensions of the two-dimensional matrix of the morphological filter; step 5 of performing binomization of the matrix of wavelet spectra of the echo signals using the set binomization threshold, which excludes elements of the wavelet spectra of the echo signals from the excited sea surface; step 6 of obtaining using the indicated morphological filter (by morphologically processing the generated binomized matrix) the wavelet spectra of the echo signals in the form of unipolar pulses (Fig. 2), the position of which on each radar observation line corresponds to the position of the echo signals from the reflecting element of the ship’s hull and which form the outer contour of the hull of the marine vessel (figure 3).
Реализация заявленного способа формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям происходит следующим образом.Implementation of the claimed method of imaging the contour of a marine vessel from radar observations is as follows.
В соответствии с правилами безопасного плавания судов минимальное расстояние между судами не может быть меньше их корабельных доменов, т.е. между судами всегда имеется гарантированное расстояние, не занятое судами. При этом СДЦ осуществляет «захват цели» таким образом, что отметка от цели (судна) всегда находится в центре двумерной выборки (угол-расстояние) радиолокационных наблюдений. Выборка, сформированная с помощью АЦП и соответствующая некоторому угловому положению антенны, в данном случае является фрагментом радиолокационной линейки наблюдений (далее - линейка).In accordance with the rules for safe navigation of vessels, the minimum distance between vessels cannot be less than their ship domains, i.e. there is always a guaranteed distance between vessels that is not occupied by vessels. At the same time, the SDC “captures the target” in such a way that the mark from the target (vessel) is always in the center of the two-dimensional sample (angle-distance) of the radar observations. The sample formed using the ADC and corresponding to a certain angular position of the antenna, in this case is a fragment of the radar line of observations (hereinafter - the line).
Следовательно, матрица эхо-сигналов (операция 1), полученная в течение одного оборота антенны радиолокатора, содержит в центральной части элементы, значения которых равны сумме эхо-сигналов от корпуса судна и поверхностного волнения моря, остальная часть элементов матрицы содержит только эхо-сигналы от поверхностного волнения моря.Therefore, the matrix of echo signals (operation 1), obtained during one revolution of the radar antenna, contains in the central part elements whose values are equal to the sum of the echo signals from the ship's hull and surface sea waves, the rest of the matrix elements contain only echo signals from surface waves of the sea.
Из линеек, соответствующих каждому угловому положению антенны, формируется матрица эхо-сигналовFrom the lines corresponding to each angular position of the antenna, an echo matrix is formed
где Z0 (k, i) - матрица эхо-сигналов от корпуса морского судна; ε(k, i) - матрица эхо-сигналов (помех) от взволнованной поверхности моря; - порядковый номер отсчета АЦП на линейке; n - максимальное число отсчетов АЦП на линейке; i=1,2,...,q - номер линейки, q - выбранное число линеек в матрице Z.where Z 0 (k, i) is the matrix of echo signals from the hull of the ship; ε (k, i) is the matrix of echo signals (interference) from the excited surface of the sea; - serial number of the ADC reading on the line; n is the maximum number of ADC readings on the line; i = 1,2, ..., q is the ruler number, q is the selected number of rulers in the matrix Z.
Для каждой i-й линейки формируется вейвлет-спектр с помощью дискретной формы непрерывного вейвлет-преобразования [3]For each i-th line, a wavelet spectrum is formed using the discrete form of a continuous wavelet transform [3]
где ψ0 - базисная пси-функция вейвлета; j - параметр масштаба; - координата положения пси-функции на линейке; h - число элементов вектора пси-функции ψ0.where ψ 0 is the basic psi-function of the wavelet; j is the scale parameter; - the coordinate of the position of the psi function on the ruler; h is the number of elements of the vector of the psi function ψ 0 .
Непрерывное вейвлет-преобразование представляет собой масштабируемую процедуру дифференцирования, реализованную сверткой столбца матрицы Z (линейки) и пси-функции ψ0, в ходе которой устанавливается значение различия между двумя смежными выборками, размеры которых увеличиваются с ростом j, а весовые множители элементов выборок при свертке определяются пси-функцией ψ0. При этом с ростом параметра j увеличиваются размеры смежных выборок, т.е. увеличивается их усредняющее воздействие на помеховую компоненту, величина дисперсии вейвлет-спектра которой вследствие этого с увеличением j снижается. В тоже время амплитуды вейвлет-спектров эхо-сигналов от корпуса судна с ростом параметра j увеличиваются. При этом огибающая вейвлет-спектра эхо-сигналов от корпуса судна характеризуется изменением от нуля до насыщения (максимума) и опять до нуля - чем больше параметр j, тем шире область насыщения. Область насыщения (при заданных ψ0 и j) является мерой неопределенности координаты на радиолокационной линейке вейвлет-спектра эхо-сигнала от корпуса судна.Continuous wavelet transform is a scalable differentiation procedure implemented by convolution of a column of matrix Z (ruler) and psi function ψ 0 , during which the difference between two adjacent samples is established, the sizes of which increase with increasing j, and the weighting factors of sample elements during convolution are determined by the psi-function ψ 0 . Moreover, with increasing parameter j, the sizes of adjacent samples increase, i.e. their averaging effect on the noise component increases, the dispersion of the wavelet spectrum of which, as a result, decreases with increasing j. At the same time, the amplitudes of the wavelet spectra of the echo signals from the hull of the vessel increase with increasing parameter j. In this case, the envelope of the wavelet spectrum of the echo signals from the ship’s hull is characterized by a change from zero to saturation (maximum) and again to zero — the larger the parameter j, the wider the saturation region. The saturation region (for given ψ 0 and j) is a measure of the uncertainty of the coordinate on the radar line of the wavelet spectrum of the echo signal from the ship's hull.
Результатом свертки (2) пси-функции ψ0 со столбцами матрицы Z0 (k, i) являются вейвлет-спектры эхо-сигналов от корпуса судна в виде отрицательных импульсов с амплитудой Uc и шириной, равной области насыщения, положение которых на каждой i-й линейке соответствует (с учетом меры неопределенности) положению переднего фронта прямоугольного импульса эхо-сигнала от облучаемого радиолокатором корпуса судна. В дальнейшем множество импульсов Uc определяет геометрию контура судна.The result of the convolution (2) of the psi function ψ 0 with the columns of the matrix Z 0 (k, i) is the wavelet spectra of the echo signals from the ship's hull in the form of negative pulses with an amplitude U c and a width equal to the saturation region, the position of which on each i The ith line corresponds (taking into account the measure of uncertainty) to the position of the leading edge of the rectangular pulse of the echo signal from the hull of the vessel irradiated by the radar. In the future, a lot of pulses U c determines the geometry of the contour of the vessel.
Результатом свертки (2) пси-функции ψ0 со столбцами матрицы ε(k,i) эхо-сигналов от взволнованной поверхности моря является вейвлет-спектр помех в виде биполярных элементов матрицы Сi(b, j), величина которых увеличивается с ростом амплитуды эхо-сигналов от взволнованной поверхности моря и уменьшается, как сказано выше, с ростом параметра масштаба j.The result of the convolution (2) of the psi function ψ 0 with the columns of the matrix ε (k, i) of echo signals from the excited sea surface is the wavelet interference spectrum in the form of bipolar elements of the matrix C i (b, j), the value of which increases with increasing amplitude echo signals from the excited surface of the sea and decreases, as mentioned above, with increasing scale parameter j.
Далее векторы вейвлет-спектра (2) для выбранного j группируются в биполярную матрицу Сj(b,i); i=1,2,...,q; (операция 2).Further, the vectors of the wavelet spectrum (2) for the selected j are grouped into a bipolar matrix C j (b, i); i = 1,2, ..., q; (operation 2).
В связи с тем, что положительные значения элементов матрицы Сj(b, i) не несут информацию о контуре судна (импульсы Uc имеют отрицательную полярность) и являются помеховыми компонентами вейвлет-спектра, то в дальнейшем рассматривается матрица Сj(b,i)-, в которой положительные элементы (помеховые компоненты) матрицы Сj (b,i) заменяются нулевыми значениями (операция 3).Due to the fact that the positive values of the elements of the matrix With j (b, i) do not carry information about the contour of the vessel (pulses U c have a negative polarity) and are interfering components of the wavelet spectrum, then the matrix With j (b, i ) - , in which the positive elements (interfering components) of the matrix C j (b, i) are replaced by zero values (operation 3).
Указанный прием является одним из отличительных элементов способа формирования изображения контура морского судна на основе уменьшения связности элементов матрицы вейвлет-спектров. Его суть заключается в том, что после исключения положительных элементов из матрицы Сj(b, i) разрушается связность биполярных элементов вейвлет-спектра помех, так как положительные элементы помеховой компоненты заменяются нулевыми значениями - нулевые элементы разрушают связность вейвлет-спектров помех.This technique is one of the distinctive elements of the method of forming an image of the contour of a marine vessel based on reducing the connectivity of the elements of the matrix of wavelet spectra. Its essence lies in the fact that after the exclusion of positive elements from the matrix C j (b, i ), the connectivity of the bipolar elements of the interference wavelet spectrum is destroyed, since the positive elements of the interference component are replaced by zero values - the zero elements destroy the connectivity of the interference wavelet spectra.
В то же время на всех линейках отрицательные импульсы Uc, несущие информацию о геометрии корпуса судна, сохраняются и их связность не нарушается.At the same time, on all the lines, negative pulses U c , which carry information about the geometry of the hull of the vessel, are preserved and their connectivity is not broken.
Конкретное значение масштаба j для заданной пси-функции ψ0 выбирается из условия достижения максимума отношения величин амплитуд импульсов Uc к дисперсии вейвлет-спектра помех.A specific value of the scale j for a given psi-function ψ 0 is selected from the condition of reaching the maximum ratio of the amplitudes of the pulses U c to the dispersion of the wavelet interference spectrum.
Далее для краткости матрица вейвлет-спектров обозначается , где abs(.) - оператор абсолютного значения.Further, for brevity, the matrix of wavelet spectra is denoted by where abs ( . ) is the absolute value operator.
Из матрицы вейвлет-спектров С выбирается та ее часть , которая содержит только вейвлет-спектры помех. Так как наблюдения (1) сформированы таким образом, что эхо-сигналы от корпуса судна располагаются в центральной части матрицы Z (k,i), то, соответственно, имеется возможность выбрать ту часть матрицы вейвлет-спектров, которая заведомо не содержит вейвлет-спектры эхо-сигналов от корпуса судна.From the matrix of wavelet spectra C, that part of it is selected which contains only wavelet interference spectra. Since observations (1) are formed in such a way that the echo signals from the ship’s hull are located in the central part of the matrix Z (k, i), it is therefore possible to choose the part of the matrix of wavelet spectra that obviously does not contain wavelet spectra echo signals from the hull.
Отметим, что статистические характеристики поверхностного волнения моря определяются интенсивностью ветрового воздействия и характеристиками акватории, которые не изменяются в пределах локальной области, формирующей радиолокационные наблюдения, зафиксированные в матрице эхо-сигналов. Следовательно, выбранная матрица С обладает статистической представительностью вейвлет-спектра помех для всей матрицы С вейвлет-спектров эхо-сигналов.Note that the statistical characteristics of the surface sea waves are determined by the intensity of the wind and the characteristics of the water area, which do not change within the local area that forms the radar observations recorded in the matrix of echo signals. Therefore, the selected matrix C has a statistical representativeness of the interference wavelet spectrum for the entire matrix C of the wavelet spectra of the echo signals.
Другим отличительным элементом способа формирования изображения контура морского судна на основе уменьшения связности элементов помеховой компоненты матрицы С является определение порога биномизации р (операция 4), адаптивного к уровню вейвлет-спектра помех, к типу пси-функции ψ0, величине масштаба j и размерам двумерного морфологического фильтра. Так как статистические характеристики вейвлет-спектра помех матрицы репрезентативны по отношению ко всей матрице вейвлет-спектров С, то установление порога р на матрице справедливо также и по отношению к матрице вейвлет-спектров помех С.Another distinctive element of the method of forming an image of the contour of a marine vessel based on reducing the connectivity of the elements of the interference component of matrix C is the determination of the binomization threshold p (step 4), which is adaptive to the level of the interference wavelet spectrum, to the type of psi function ψ 0 , the magnitude of the scale j, and the dimensions of the two-dimensional morphological filter. Since the statistical characteristics of the wavelet spectrum of the matrix interference are representative with respect to the entire matrix of wavelet spectra C, then the establishment of the threshold p on the matrix also true with respect to the matrix of wavelet spectra of interference C.
Уменьшение связности на основе применения порога р обусловлено тем, что некоторая часть ненулевых помеховых компонент матрицы , оставшихся после операции 3, получает нулевые значения в процессе биномизации матрицы на уровне р. Указанная процедура обозначается оператором ВThe decrease in connectivity based on the application of the threshold p is due to the fact that some of the nonzero interference components of the matrix remaining after operation 3 gets zero values in the process of binomizing the matrix at the level of p. The indicated procedure is indicated by operator B
где , , - элемент матрицы .Where , , - matrix element .
Процедура установления значения порога биномизации, при котором размеры связных множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от поверхностного волнения меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра (операция 4), включает в себя морфологическую обработку бинарной матрицы вейвлет-спектра помех с помощью двумерного морфологического фильтра (морфологический фильтр [4]).The procedure for setting the binomization threshold value, in which the sizes of the connected sets of binomized elements of the wavelet spectra of the echo signals from surface waves are smaller than the dimensions of the two-dimensional matrix of the morphological filter (step 4), includes morphological processing of the binary matrix of the interference wavelet spectrum using a two-dimensional morphological filter (morphological filter [4]).
Указанную процедуру обозначим оператором МThe indicated procedure is denoted by the operator M
Так как амплитуда вейвлет-спектра помех имеет случайный характер (в силу случайного характера эхо-сигналов от взволнованной поверхности), то значения элементов матрицы при выбранных размерах c×c двумерной матрицы морфологического фильтра зависят от величины порога р. Чем больше порог р, тем меньше связность множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров помех и, соответственно, меньше значения элементов матрицы , и, наоборот, чем меньше порог р, тем больше связность множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров помех и, соответственно, больше значения элементов матрицы .Since the amplitude of the wavelet interference spectrum is random (due to the random nature of the echo signals from the excited surface), the values of the matrix elements at the selected sizes c × c, the two-dimensional matrix of the morphological filter depends on the threshold p. The larger the threshold p, the less connected the sets of binomized elements of the wavelet interference spectra and, accordingly, the smaller the values of the matrix elements , and, conversely, the smaller the threshold p, the greater the connectivity of the sets of binomized elements of the wavelet interference spectra and, accordingly, the greater the value of the matrix elements .
Оптимальное значение порога р определяется в ходе решения оптимизационной задачиThe optimal value of the threshold p is determined in the course of solving the optimization problem
где - целевая функция оптимизационной задачи; - элементы матрицы . При оптимальном значении порога, равном р*, размеры связных множеств биномизированных элементов вейвлет-спектров эхо-сигналов от поверхностного волнения меньше размеров двумерной матрицы морфологического фильтра, что обеспечивает полное исключение элементов вейвлет-спектра помех из матрицы .Where - objective function of the optimization problem; - matrix elements . At the optimal threshold value equal to p * , the sizes of the connected sets of binomized elements of the wavelet spectra of the echo signals from surface waves are smaller than the dimensions of the two-dimensional matrix of the morphological filter, which ensures the complete exclusion of elements of the wavelet interference spectrum from the matrix .
Далее в ходе операции 5 аналогично правилу (3) выполняется биномизация матрицы вейвлет-спектров С с использованием полученного оптимального порога биномизации р*.Then, in
При этом в силу обоснованной ранее репрезентативности статистических характеристик вейвлет-спектров помех матриц и С размеры связных множеств элементов вейвлет-спектров помех биномизированной матрицы С также будут меньше размеров двумерного морфологического фильтра, что обеспечит полное подавление помехи матрицы С в результате морфологической обработки элементов ее вейвлет-спектра. При этом множества элементов матрицы СВ(р*)=В{С(р*)}, содержащие компоненту Uс вейвлет-преобразования эхо-сигналов от корпуса судна, в отличие от вейвлет-спектра помех, сохраняют связность. Следовательно, в ходе морфологической обработка (операция 6), выполненной морфологическим фильтром, формируется матрицаMoreover, due to the previously substantiated representativeness of the statistical characteristics of the wavelet spectra of matrix noise and C, the sizes of the connected sets of elements of the wavelet interference spectra of the binomized matrix C will also be smaller than the dimensions of the two-dimensional morphological filter, which will ensure complete suppression of the interference of the matrix C as a result of the morphological processing of the elements of its wavelet spectrum. Moreover, the sets of matrix elements C B (p * ) = B {C (p * )} containing the component U with the wavelet transform of the echo signals from the ship's hull, unlike the wavelet interference spectrum, retain connectivity. Therefore, during the morphological processing (operation 6) performed by the morphological filter, a matrix is formed
элементы которой формируют изображение контура морского судна.elements of which form an image of the contour of a marine vessel.
Таким образом, формирование изображения контура морского судна выполняется при полном подавлении эхо-сигналов помеховой компоненты от поверхностного волнения моря.Thus, the image formation of the contour of a marine vessel is performed with the complete suppression of the echo signals of the interfering component from the surface sea waves.
В настоящее время устройство, реализующее заявленный способ, находится в стадии макетирования. Макетирование выполнено применительно к береговой радиолокационной станции кругового обзора Центра СУДС порта Владивосток.Currently, a device that implements the claimed method is in the process of prototyping. The prototyping was performed in relation to the coastal radar station of the circular review of the VTS Center of the port of Vladivostok.
Характеристики радиолокатора и судна:Radar and ship specifications:
- ширина диаграммы направленности антенны - 0,39°;- the width of the antenna pattern - 0.39 °;
- частота дискретизации АЦП эхо-сигнала на выходе видеодетектора БРЛС - 75 МГц (линейный интервал дискретизации наблюдений - 2 м);- sampling frequency of the ADC of the echo signal at the output of the radar video detector - 75 MHz (linear sampling interval of observations - 2 m);
- размеры судна: длина - 160 м, ширина - 28 м;- dimensions of the vessel: length - 160 m, width - 28 m;
- курс судна - 45°;- vessel heading - 45 °;
- дистанция до судна - 1000 м;- distance to the ship - 1000 m;
- угловой шаг антенны между двумя смежными радиолокационными линейками - 0,03°.- the angular pitch of the antenna between two adjacent radar arrays is 0.03 °.
Сформируем макет матрицы эхо-сигналов (1) в виде суммы главных компонент: эхо-сигналы от корпуса судна (Z0) и отражения от поверхностного волнения моря (ε).We form the layout of the matrix of echo signals (1) in the form of the sum of the main components: echo signals from the ship's hull (Z 0 ) and reflection from surface sea waves (ε).
Распределение плотности вероятности эффективной площади рассеяния (ЭПР) названных отражателей описывается [5]:The probability density distribution of the effective scattering area (EPR) of these reflectors is described [5]:
- экспоненциальным законом для ЭПР (S0) эхо-сигналов от корпуса судна- exponential law for EPR (S 0 ) echo signals from the hull
где - среднее значение ЭПР корпуса судна в угловом секторе диаграммы направленности антенны;Where - the average value of the EPR of the hull in the angular sector of the antenna pattern;
- вейбулловским распределением для ЭПР (Sε.) поверхностного волнения моря- the Weibull distribution for the EPR (S ε .) of surface sea waves
где c'=1/b' - параметр формы, G - значение медианы распределения, определяемое интенсивностью волнения.where c '= 1 / b' is the shape parameter, G is the median of the distribution, determined by the intensity of the waves.
Выберем модельные параметры =1,0, c'=0,57, G=0,8 и, принимая во внимание , сформируем [5] в указанных соотношениях матрицу эхо-сигналов от корпуса судна и поверхностного волнения моря (фиг.1). Как следует из фиг.1 эхо-сигналы от корпуса судна существенно искажены высоким уровнем помех от взволнованной поверхности моря.Choose model parameters = 1.0, c '= 0.57, G = 0.8 and, taking into account , form [5] in the indicated ratios the matrix of echo signals from the hull and surface sea waves (Fig. 1). As follows from figure 1, the echo signals from the hull are significantly distorted by a high level of interference from the agitated surface of the sea.
Сформируем матрицу вейвлет-спектров С при выбранном масштабе j=3, обеспечивающем максимум отношения амплитуды импульсов Uc к дисперсии вейвлет-спектра помехи, и пси-функции ψ0 вейвлета Добеши 'db1' [3], обладающей максимальным линейным разрешением, что позволяет минимизировать упомянутую ранее область насыщения, являющуюся мерой неопределенности координат положения контура судна.We form the matrix of wavelet spectra C at a selected scale j = 3, which ensures the maximum ratio of the pulse amplitude U c to the dispersion of the interference wavelet spectrum and the psi function ψ 0 of the Daubechies wavelet 'db1' [3], which has the maximum linear resolution, which allows minimizing the saturation region mentioned above, which is a measure of the uncertainty of the coordinates of the position of the contour of the vessel.
Выберем морфологический фильтр bwmorph, тип='majority' [4] с размерами двумерного фильтра c×с=3×3 и параметром f=5, обладающий максимальным разрешением, что также обеспечивает достижение высокой точности формирования изображения контура судна.We choose the morphological filter bwmorph, type = 'majority' [4] with the dimensions of the two-dimensional filter c × c = 3 × 3 and the parameter f = 5, which has the maximum resolution, which also ensures high accuracy in the formation of the image of the contour of the vessel.
В результате моделирования решения оптимизационной задачи (5) на матрице , сформированной из начальных фрагментов линеек матрицы С, которые заведомо содержат только вейвлет-спектры помех, установлено для данной макетной ситуации оптимальное значение порога биномизации р*=0,335.As a result of modeling solutions to the optimization problem (5) on the matrix formed from the initial fragments of the lines of the matrix C, which obviously contain only the wavelet spectra of interference, the optimal value of the binomization threshold p * = 0.335 was established for this mockup situation.
Применение установленного порога р* биномизации матрицы вейвлет-спектров ко всей матрице С и последующее за этим выполнение морфологической обработки выбранным фильтром позволяет полностью подавить фон помехи и в тоже время сформировать бинарную матрицу СBM (фиг.2). Матрица СBM представляет фигуру, образованную из единичных элементов, которая в горизонтальной плоскости образуют контур морского судна (фиг.3).The application of the set threshold p * of binomization of the wavelet spectra matrix to the entire matrix C and subsequent morphological processing by the selected filter allows to completely suppress the noise background and at the same time generate the binary matrix C BM (figure 2). Matrix C BM is a figure formed of single elements, which in the horizontal plane form the contour of a marine vessel (figure 3).
Так как матрица СBM представляет фигуру, образованную из единичных элементов, то указанная фигуры в горизонтальной плоскости имеет как внешние, так и внутренние границы, расстояние между которьми равно ширине упомянутой ранее области насыщения (ширина импульса Uc) и соответствующей ей мере неопределенности, которая при заданных ψ0 и j для данной макетной ситуации не превышает 4 м.Since the matrix C BM represents a figure formed of single elements, the specified figure in the horizontal plane has both external and internal boundaries, the distance between which is equal to the width of the saturation region mentioned above (pulse width U c ) and the corresponding measure of uncertainty, which for given ψ 0 and j for a given mock situation does not exceed 4 m.
Ближняя к радиолокатору часть корпуса судна представляет собой непрерывную отражающую поверхность борта судна, изображение контура которой в горизонтальной плоскости представлено непрерывными кривыми 1 и 2. Дальняя часть корпуса судна находится в зоне радиолокационной тени, поэтому при макетировании предусмотрено, что источниками формирования эхо-сигналов в этом случае являются отдельные облучаемые радиолокатором отражатели, имитирующие фальшборт и леерные ограждения палубы, расположенные на верхней кромке дальнего борта. Этим объясняется фрагментарность контура дальнего борта судна (кривые 3 и 4).The part of the ship’s hull closest to the radar is a continuous reflecting surface of the side of the ship, the contour image of which in the horizontal plane is represented by
Отсутствие фрагментов контура дальней части борта в кормовой части судна имитирует экранное действие кормовых надстроек, контур которых 5 сливается с изображением контура 2 в кормовой части судна.The absence of fragments of the contour of the far side in the stern of the vessel imitates the screen action of the stern superstructures, the contour of which 5 merges with the image of contour 2 in the stern of the vessel.
Следует отметить, что наличие внутренних и внешних границ фигуры, образованной единичными элементами матрицы С, не искажает формы контура судна и не вносит ошибок в определение размеров и курса судна. Так, кривые 1 и 3 или 2 и 4, взятые попарно, формируют изображение контура судна, позволяющее определить размеры и курс судна. При этом указанная неопределенность оказывает влияние лишь на определение точного расстояния до судна, ошибка определения которого в данной модельной ситуации не превышает 2 м (половина меры неопределенности), что составляет 0,2% (дистанция до судна в данном случае равна 1000 м).It should be noted that the presence of internal and external borders of the figure formed by the individual elements of the matrix C does not distort the shape of the contour of the vessel and does not introduce errors in determining the size and course of the vessel. So, curves 1 and 3 or 2 and 4, taken in pairs, form an image of the contour of the vessel, allowing you to determine the size and course of the vessel. Moreover, the specified uncertainty affects only the determination of the exact distance to the vessel, the error of determination of which in this model situation does not exceed 2 m (half of the uncertainty measure), which is 0.2% (the distance to the vessel in this case is 1000 m).
Изображение контура судна имеет ступенчатый вид, обусловленный дискретным характером формирования линеек наблюдений с помощью АЦП.The image of the ship's contour has a stepped view, due to the discrete nature of the formation of observation lines using the ADC.
Дальнейшее уменьшение углового шага радиолокационной антенны и увеличение частоты дискретизации АЦП позволяет увеличить число элементов в матрице эхо-сигналов и тем самым уменьшить размер ступеней и приблизить сформированное изображение контура судна к истинному профилю его корпуса в горизонтальной плоскости.A further decrease in the angular pitch of the radar antenna and an increase in the sampling frequency of the ADC allows to increase the number of elements in the echo-signal matrix and thereby reduce the size of the steps and bring the generated image of the ship's contour closer to the true profile of its hull in the horizontal plane.
Макетирование подтверждает возможность формирования изображения контура судна и определения на его основе размеров (длина - 160 м, ширина - 28 м) и курса К судна, совпадающего с продольной осью симметрии контура 6 и составляющего в данном случае 45° относительно направления на Север. При этом фон помехи от взволнованной поверхности моря на изображении контура судна полностью подавлен.Prototyping confirms the possibility of forming an image of the contour of the vessel and determining on its basis the dimensions (length - 160 m, width - 28 m) and the course K of the vessel, which coincides with the longitudinal axis of symmetry of
Таким образом, полученные результаты подтверждают достижение технического результата от применения заявленного способа формирования изображения контура морского судна по радиолокационным наблюдениям, заключающегося в получении информации о геометрических размерах и угловом положении продольной оси контура судна при полном подавлении помеховой компоненты от взволнованной поверхности моря на изображении контура морского судна.Thus, the obtained results confirm the achievement of the technical result from the application of the claimed method for imaging a contour of a marine vessel from radar observations, which consists in obtaining information about the geometric dimensions and angular position of the longitudinal axis of the contour of the vessel with the complete suppression of the interference component from the excited surface of the sea on the contour image of the marine vessel .
Источники информацииInformation sources
1. Рудаков П.И., Сафонов И.В. Обработка сигналов и изображений. MATLAB 5.х/ Под общ. Ред. В.Г.Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ. 2000. 416 с. - АНАЛОГ.1. Rudakov P.I., Safonov I.V. Signal and image processing. MATLAB 5.x / Under the general. Ed. V.G. Potemkina. M .: DIALOGUE-MIFI. 2000.416 s. - ANALOGUE.
2. Yang Li, Yuan Xin. An Edge Detector Based On Wavelet Transform For SAR Image.// Trans. Nanjing Univ. Aeron. and Astron. 2001. Vol.8, N 1. P.75-80 - ПРОТОТИП.2. Yang Li, Yuan Xin. An Edge Detector Based On Wavelet Transform For SAR Image.// Trans. Nanjing Univ. Aeron and Astron. 2001. Vol.8,
3. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. М.: СОЛОН-Р, 2002. 448 с.3. Dyakonov V.P. Wavelets. From theory to practice. M .: SOLON-R, 2002.448 s.
4. Дьяконов В.П. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер. 2002. 608 с.4. Dyakonov V.P. MATLAB. Signal and image processing. Special reference. SPb .: Peter. 2002.608 p.
5. Дорожко В.М., Имитационная модель радиолокационного эхо-сигнала. // Дальневосточный математический журнал, 2000, т.2,1. С.98-113.5. Dorozhko VM, A simulation model of a radar echo signal. // Far Eastern Mathematical Journal, 2000, vol.2.1. S.98-113.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005126525/09A RU2308055C2 (en) | 2005-08-22 | 2005-08-22 | Method for forming of image of sea vessel contour according to radar surveillances |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005126525/09A RU2308055C2 (en) | 2005-08-22 | 2005-08-22 | Method for forming of image of sea vessel contour according to radar surveillances |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005126525A RU2005126525A (en) | 2007-02-27 |
RU2308055C2 true RU2308055C2 (en) | 2007-10-10 |
Family
ID=37990414
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005126525/09A RU2308055C2 (en) | 2005-08-22 | 2005-08-22 | Method for forming of image of sea vessel contour according to radar surveillances |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2308055C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2483323C1 (en) * | 2011-12-22 | 2013-05-27 | Закрытое акционерное общество "Морские комплексы и системы" | Method of forming high brightness and contrast location image and apparatus for realising said method |
RU2546846C2 (en) * | 2013-06-20 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") | Method of determining position of vessel and motion characteristics thereof |
RU2646857C1 (en) * | 2017-01-30 | 2018-03-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "Техника дела" | Method of moving target selection |
-
2005
- 2005-08-22 RU RU2005126525/09A patent/RU2308055C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
TRANS. NANJING UNIV. AERON. AND ASTRON. 2001, vol. 8, №1, p.75-80. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2483323C1 (en) * | 2011-12-22 | 2013-05-27 | Закрытое акционерное общество "Морские комплексы и системы" | Method of forming high brightness and contrast location image and apparatus for realising said method |
RU2546846C2 (en) * | 2013-06-20 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт "Курс" (ОАО "ЦНИИ "Курс") | Method of determining position of vessel and motion characteristics thereof |
RU2646857C1 (en) * | 2017-01-30 | 2018-03-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "Техника дела" | Method of moving target selection |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005126525A (en) | 2007-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107145874B (en) | Ship target detection and identification method in complex background SAR image | |
CN108387896B (en) | Automatic convergence imaging method based on ground penetrating radar echo data | |
Crisp | The state-of-the-art in ship detection in synthetic aperture radar imagery | |
Williams | Fast unsupervised seafloor characterization in sonar imagery using lacunarity | |
US10497128B2 (en) | Method and system for sea background modeling and suppression on high-resolution remote sensing sea images | |
Bagnitsky et al. | Side scan sonar using for underwater cables & pipelines tracking by means of AUV | |
CN106709914A (en) | SAR image ship detection false alarm eliminating method based on two-stage DEM sea-land reservoir | |
Masetti et al. | Remote identification of a shipwreck site from MBES backscatter | |
CN107942329A (en) | Motor platform single-channel SAR is to surface vessel object detection method | |
Ding et al. | Coastline detection in SAR images using multiscale normalized cut segmentation | |
RU2308055C2 (en) | Method for forming of image of sea vessel contour according to radar surveillances | |
Liu et al. | A fully automatic algorithm for reflector detection in radargrams based on continuous wavelet transform and minimum spanning tree | |
CN112907615B (en) | Submarine landform unit contour and detail identification method based on region growing | |
CN117237430B (en) | High-precision multi-time-sequence water depth inversion method, computing equipment and storage medium | |
Stagliano et al. | Ship detection from SAR images based on CFAR and wavelet transform | |
XU et al. | 3D-view generation and species classification of aquatic plants using acoustic images | |
Atallah et al. | Wavelet analysis of bathymetric sidescan sonar data for the classification of seafloor sediments in Hopvågen Bay-Norway | |
Taylor et al. | Evolution of a benthic imaging system from a towed camera to an automated habitat characterization system | |
Wang et al. | Bottom Tracking Method Based on LOG/Canny and the Threshold Method for Side-scan Sonar. | |
Zhu et al. | Seafloor Classification Combining Shipboard Low-Frequency and AUV High-Frequency Acoustic Data: A Case Study of Duanqiao Hydrothermal Field, Southwest Indian Ridge | |
Preston et al. | Automated acoustic classification of sidescan images | |
CN109427042A (en) | A method of extracting the layered structure and spatial distribution of local sea area sedimentary | |
Azzaz et al. | Classification of radar echoes using fractal geometry | |
CN113805176A (en) | Optimal imaging time period selection method based on sharpness analysis and imaging projection plane selection | |
RU2359860C1 (en) | Method of remote sensing alignment of steering wheel of sea vessel using radar observations |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090823 |