RU2648270C1 - Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами - Google Patents

Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами Download PDF

Info

Publication number
RU2648270C1
RU2648270C1 RU2017102099A RU2017102099A RU2648270C1 RU 2648270 C1 RU2648270 C1 RU 2648270C1 RU 2017102099 A RU2017102099 A RU 2017102099A RU 2017102099 A RU2017102099 A RU 2017102099A RU 2648270 C1 RU2648270 C1 RU 2648270C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
radiometer
scanning
columns
missing
Prior art date
Application number
RU2017102099A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Константинович Клочко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority to RU2017102099A priority Critical patent/RU2648270C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2648270C1 publication Critical patent/RU2648270C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/52—Discriminating between fixed and moving objects or between objects moving at different speeds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
    • G01S13/9029—SAR image post-processing techniques specially adapted for moving target detection within a single SAR image or within multiple SAR images taken at the same time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным (пассивным) системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра, работающего в миллиметровом диапазоне длин волн в условиях повышенного шага сканирования антенны радиометра. Достигаемый технический результат - увеличение быстродействия, повышение пространственного разрешения изображения объектов, формируемого радиометром с большим шагом сканирования. Способ заключается в применении двух антенн, одновременно сканирующих по пространству в ортогональных направлениях, получении в результате сканирования двух матриц радиометрического изображения с пропусками строк и столбцов, заполнении недостающих строк и столбцов интерполяцией, обработке матриц восстанавливающим фильтром Винера и объединении результатов обработки в одной матрице с повышенным пространственным разрешением. 1 табл., 2 ил.

Description

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к радиотеплолокационным (пассивным) системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра [1] в условиях повышенного шага сканирования антенны радиометра с целью увеличения быстродействия.
Радиометр обычно содержит одну антенну, принимающую радиоизлучение объектов в миллиметровом диапазоне длин волн [2]. Изображение объектов формируется за счет сканирования антенной радиометра по пространству. При сканировании линия визирования антенны смещается непрерывно по азимуту (вдоль строки) с дискретным съемом данных соответственно размеру элемента дискретизации (числу пикселей в строке) формируемой матрицы изображения и механически смещается по углу места (вдоль столбца) на величину, превышающую в несколько раз размер элемента дискретизации. После прохождения тракта первичной обработки принимаемых антенной сигналов формируется матрица радиометрического изображения объектов (матрица наблюдения) с пропусками изображения между пропущенными строками при переходе от одной строки к другой с большим шагом по углу места, чем шаг дискретизации по азимуту.
Уменьшать шаг по углу места нецелесообразно, так как увеличивается время формирования матрицы изображения, обусловленное временем накопления сигнала в радиометре. Так как ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) составляет 1°-3° (на уровне 0,5 мощности), то радиометрическое изображение объектов получается размытым. Для повышения четкости изображения (повышения пространственной разрешающей способности) матрицу радиометрического изображения обрабатывают алгоритмами восстановления изображений, например [3], в основе работы которых лежит модель свертки цифровых сигналов, полученных после прохождения тракта первичной обработки и запомненных на каждом шаге дискретизации величинами амплитуд y(ij) в i-x, j-x элементах матрицы Y={y(i,j)}:
Figure 00000001
Figure 00000002
где 2n+1 - ширина (ДНА) по углу места и азимуту; α(i,j) - коэффициенты аппаратной функции (АФ), описывающей действие антенны и тракта первичной обработки на принимаемые сигналы; x(i,j) - элементы матрицы X искомого (восстанавливаемого) изображения объектов: X={x(i,j)},
Figure 00000003
Figure 00000004
N - число строк и столбцов матрицы X; p(i,j) - шумы аппаратуры в виде белого шума.
Одним из широко применяемых методов восстановления X в частотной области является двумерный фильтр Винера [3, 4]. Известен способ применения фильтра Винера для восстановления изображения в матрице с пропущенными строками [5], который рассмотрим в качестве прототипа. Способ заключается в построчном сканировании антенны радиометра по азимуту и углу места с шагом по углу места большим, чем шаг дискретизации искомого изображения, с последующей обработкой матрицы наблюдений в частотной области, отличающийся тем, что между соседними строками разреженной матрицы наблюдений располагают новые строки по числу недостающих элементов дискретизации угла места, а элементы этих строк получают линейной интерполяцией соответствующих элементов соседних строк исходной матрицы, затем полученную расширенную матрицу подвергают преобразованию Фурье, умножают результат преобразования на передаточную функцию восстанавливающего фильтра, осуществляют обратное преобразование Фурье и получают матрицу восстановленного изображения объектов.
Указанный способ обладает следующим недостатком: при интерполяции пропущенных строк матрицы радиометрического изображения Y частично теряется информация об искомом изображении X и, как следствие, понижается точность восстановления X и соответственно ухудшается пространственное разрешение восстановленного изображения по сравнению с тем случаем, когда матрица радиометрического изображения Y формируется без пропуска строк с одинаковым шагом по азимуту и углу места.
Технический результат направлен на устранение указанного недостатка, а именно на повышение точности восстановления искомого изображения объектов при наличии пропусков радиометрического изображения.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами, который заключается в сканировании первой антенны радиометра по азимуту с шагом дискретизации искомого изображения и сканировании по углу места с шагом, большим, чем шаг дискретизации, формировании первой матрицы наблюдения с пропущенными строками, заполнении пропущенных строк интерполяцией соседних строк и последующей обработке полученной матрицы двумерным восстанавливающим фильтром Винера, отличающийся тем, что одновременно используют вторую антенну радиометра, сканирующую по углу места с шагом дискретизации и по азимуту с шагом, большим, чем шаг дискретизации, формируют вторую матрицу наблюдения с пропущенными столбцами, заполняют пропущенные столбцы интерполяцией соседних столбцов и обрабатывают полученные две матрицы двумерным восстанавливающим фильтром Винера, после чего все пары соответствующих элементов двух матриц сравнивают с заданной амплитудой и выбирают из каждой пары один элемент, наиболее близкий в этой амплитуде, затем выбранные элементы помещают в одну матрицу восстановленного изображения объектов с повышенным пространственным разрешением.
Способ осуществляется следующим образом.
1. Первая антенна сканирует по пространству с шагом по углу места, большим, чем шаг дискретизации восстанавливаемого изображения X={x(i,j)}. В результате получается матрица наблюдений Y1={y1(i,j)}, элементы которой y1(i,j) отвечают модели (1), а нумерация строк, в отличие от (2), осуществляется с шагом m:
Figure 00000005
Figure 00000006
где m принимает возможные значения от 2 до n, то есть расстояние по углу места между соседними наблюдаемыми строками не превышает половины ширины ДНА. Ненаблюдаемые строки в матрице Y1 (пропущенные при сканировании, а также строки с номерами
Figure 00000007
Figure 00000008
не рассматриваются или заполняются нулями.
2. Между соседними наблюдаемыми строками матрицы Y1 помещаются m-1 строк по числу m-1 недостающих элементов дискретизации угла места, а элементы этих строк вычисляются интерполяцией соответствующих элементов соседних i-й и (i+1)-й строк матрицы Y, например, методом линейной интерполяции по формуле:
Figure 00000009
Возможна более сложная интерполяция: биквадратная или бикубическая.
3. Одновременно вторая антенна сканирует по пространству с шагом по азимуту, большим, чем шаг дискретизации восстанавливаемого изображения X={x(J,j)}. В результате получается матрица наблюдений Y2={y2(i,j)}, элементы которой y2(i,j) отвечают модели (1), а нумерация столбцов осуществляется с шагом m:
Figure 00000010
Figure 00000011
Ненаблюдаемые столбцы в матрице Y2 не рассматриваются или заполняются нулями.
4. Между соседними наблюдаемыми столбцами матрицы Y2 помещаются m-1 столбцов по числу m-1 недостающих элементов дискретизации азимута, а элементы этих столбцов вычисляются интерполяцией соответствующих элементов соседних i-й и (i+1)-й столбцов матрицы Y2, например, подобно (3):
y2(i,j+j1)=y(i,j)+Δy⋅j1,
Figure 00000012
Figure 00000013
Figure 00000014
Δy=(y2(i,j+1)-y2(i,j)/m.
5. Полученные матрицы Y1 и Y2 одновременно (в параллельных каналах обработки) подвергаются двумерному преобразованию Фурье и получаются спектральные матрицы Yƒ1={yƒ1(i,j)} и Yƒ2={yƒ2(i,j)},
Figure 00000015
Figure 00000016
6. Элементы матриц Yƒ1 и Yƒ2 умножаются на передаточную функцию Винера wƒ(i,j), которая вычисляется с учетом преобразования Фурье АФ α(i,j), подвергнутой периодическому продолжению [4], и получаются спектральные матрицы оценок Xƒ1={хƒ1(i,j)}, Хƒ2={хƒ2(i,j)}, где хƒ1(i,j)=yƒ1(i,j)⋅wƒ(i,j), xƒ2=(i,j)=yƒ2(i,j)⋅wƒ(i,j),
Figure 00000017
Figure 00000018
7. Матрицы Xƒ1 и Хƒ2 подвергаются обратному двумерному преобразованию Фурье и получаются матрицы Х1={x1(i,j)}, Х2={х2(i,j}
Figure 00000019
Figure 00000020
восстановленного изображения объектов в пространственной области.
8. Все пары x1(i,j), x2(i,j) соответствующих элементов матриц Х1 и X2:
Figure 00000021
Figure 00000022
сравниваются с заданной амплитудой. Из двух элементов х1(i,j) и х2(i,j) выбирается один элемент, наиболее близкий к этой амплитуде. Он запоминается как i-й, j-й элемент х*(i,j) матрицы X*={х*(i,j)},
Figure 00000023
Figure 00000024
представляющей восстановленное изображение с повышенным пространственным разрешением.
Экспериментальная часть (результаты моделирования).
Предлагаемый способ сравнивался с прототипом на примере восстановления изображения объекта в форме рамки, расположенного в матрице изображения. В таблице 1 представлены результаты моделирования, полученные при отношении сигнал-шум = 50, амплитуде объекта А=5 и ширине ДНА 2n+1=5 и 2n+1=7 элементов дискретизации: зависимость оценки среднеквадратического отклонения (СКО1) ошибки восстановления по амплитуде от шага m формирования строк в прототипе и зависимость оценки СКO2 ошибки восстановления от шага m формирования строк и столбцов в предлагаемом способе. Для заполнения пропущенных строк и столбцов применялась линейная интерполяция. В алгоритме, реализующем предлагаемый способ, соответствующие элементы двух матриц сравнивались с максимальной амплитудой объекта (см. табл. 1).
Figure 00000025
На фигуре 1 для прототипа показано слева направо: матрица наблюдения с пропущенными строками, матрица наблюдения с заполнением пропущенных строк линейной интерполяцией и матрица с изображением объекта в форме рамки, восстановленным из второй матрицы. На фигуре 2 для предлагаемого способа показано слева направо: первая матрица наблюдений с пропущенными строками, вторая матрица наблюдений с пропущенными столбцами и матрица с изображением объекта, восстановленным из первых двух матриц с заполнением пропущенных строк и столбцов линейной интерполяцией.
Результаты моделирования показывают преимущество предлагаемого способа в сравнении с прототипом по точности восстановления и, как следствие, по четкости (пространственному разрешению) изображения.
Литература
1. Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы: в 2 т. / Т. 1. М.: ИКИ РАН, 2014, 544 с.
2. Пирогов Ю.А., Тимановский А.Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения миллиметрового диапазона / Радиотехника, 2006. №3. С. 14-19.
3. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986, 304 с.
4. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006, 616 с.
5. Патент RU 2600573 С1. Способ восстановления изображений объектов по разреженной матрице радиометрических наблюдений.

Claims (1)

  1. Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами, заключающийся в сканировании первой антенны радиометра по азимуту с шагом дискретизации искомого изображения и сканировании по углу места с шагом большим, чем шаг дискретизации, формировании первой матрицы наблюдения с пропущенными строками, заполнении пропущенных строк интерполяцией соседних строк и последующей обработке полученной матрицы двумерным восстанавливающим фильтром Винера, отличающийся тем, что одновременно используют вторую антенну радиометра, сканирующую по углу места с шагом дискретизации и по азимуту с шагом большим, чем шаг дискретизации, формируют вторую матрицу наблюдения с пропущенными столбцами, заполняют пропущенные столбцы интерполяцией соседних столбцов и обрабатывают полученные две матрицы двумерным восстанавливающим фильтром Винера, после чего все пары соответствующих элементов двух матриц сравнивают с заданной амплитудой и выбирают из каждой пары один элемент, наиболее близкий в этой амплитуде, затем выбранные элементы помещают в одну матрицу восстановленного изображения объектов с повышенным пространственным разрешением.
RU2017102099A 2017-01-23 2017-01-23 Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами RU2648270C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017102099A RU2648270C1 (ru) 2017-01-23 2017-01-23 Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017102099A RU2648270C1 (ru) 2017-01-23 2017-01-23 Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2648270C1 true RU2648270C1 (ru) 2018-03-23

Family

ID=61708009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017102099A RU2648270C1 (ru) 2017-01-23 2017-01-23 Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2648270C1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5072226A (en) * 1990-06-07 1991-12-10 Hughes Aircraft Company Radiometer system incorporating a cylindrical parabolic reflector and minimum redundancy array feed
JPH08240623A (ja) * 1995-03-07 1996-09-17 Mitsubishi Electric Corp 干渉計型マイクロ波放射計
US6862549B1 (en) * 2000-06-02 2005-03-01 Exactus, Inc. Radiometric temperature measurement system
RU2285940C2 (ru) * 2005-01-11 2006-10-20 ОАО "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Способ измерения радиометрических контрастов целей и радиометр для его реализации
RU2368917C1 (ru) * 2007-12-21 2009-09-27 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет Способ формирования изображений в многоканальных ртлс и рлс
RU2500573C1 (ru) * 2012-11-23 2013-12-10 Лариса Константиновна Бородина Пневмоторовый летательный аппарат в виде диска
US20160245912A1 (en) * 2015-02-20 2016-08-25 Northrop Grumman Systems Corporation Delta-sigma digital radiometric system

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5072226A (en) * 1990-06-07 1991-12-10 Hughes Aircraft Company Radiometer system incorporating a cylindrical parabolic reflector and minimum redundancy array feed
JPH08240623A (ja) * 1995-03-07 1996-09-17 Mitsubishi Electric Corp 干渉計型マイクロ波放射計
US6862549B1 (en) * 2000-06-02 2005-03-01 Exactus, Inc. Radiometric temperature measurement system
RU2285940C2 (ru) * 2005-01-11 2006-10-20 ОАО "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Способ измерения радиометрических контрастов целей и радиометр для его реализации
RU2368917C1 (ru) * 2007-12-21 2009-09-27 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет Способ формирования изображений в многоканальных ртлс и рлс
RU2500573C1 (ru) * 2012-11-23 2013-12-10 Лариса Константиновна Бородина Пневмоторовый летательный аппарат в виде диска
US20160245912A1 (en) * 2015-02-20 2016-08-25 Northrop Grumman Systems Corporation Delta-sigma digital radiometric system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Alonso et al. A novel strategy for radar imaging based on compressive sensing
Early et al. Image reconstruction and enhanced resolution imaging from irregular samples
Cazcarra-Bes et al. Comparison of tomographic SAR reflectivity reconstruction algorithms for forest applications at L-band
CN108279404B (zh) 一种基于空间谱估计的双通道sar相位误差校正方法
JP7515183B2 (ja) 低コスト、低サイズおよび低電力で超音波イメージングにおける画質を維持する方法
RU2411536C1 (ru) Способ двухэтапного восстановления радиолокационного изображения
RU2368917C1 (ru) Способ формирования изображений в многоканальных ртлс и рлс
CN109829872B (zh) 一种用于内陆水体遥感的多时相多源遥感影像融合方法
RU2600573C1 (ru) Способ восстановления изображений объектов по разреженной матрице радиометрических наблюдений
Lu et al. Accurate SAR image recovery from RFI contaminated raw data by using image domain mixed regularizations
RU2648270C1 (ru) Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами
CN102680956A (zh) 星载合成孔径雷达方位向第一模糊区回波信号能量抑制系统
Tsagkatakis et al. Non-negative matrix completion for the enhancement of snapshot mosaic multispectral imagery
EP2985627B1 (en) Method and device for improving quality of scansar image
Kang et al. SAR time series despeckling via nonlocal matrix decomposition in logarithm domain
Kawami et al. 2-Dimensional high-quality reconstruction of compressive measurements of phased array weather radar
RU2646434C1 (ru) Способ формирования изображений объектов в радиометре с двумя антеннами
Zhu et al. A pan-sharpening algorithm based on joint sparsity
Shi et al. Polarimetric channel misregistration evaluation for the GaoFen-3 QPSI mode
RU2612323C1 (ru) Способ восстановления изображений в двухканальной сканирующей системе
Mejía-Melgarejo et al. Adjustable spatial resolution of compressive spectral images sensed by multispectral filter array-based sensors
Justo et al. Compressive Sensing on Three Dimensional SFCW Ground-Penetrating Radar
Iqbal et al. Removal of scalloping in ScanSAR images using Kalman filter
Camps Carmona et al. Visibility inversion algorithms over hexagonal sampling grids
Bottisti et al. Image exploitation from encoded measurements

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190124