Оценка радиометрических характеристик РСА по модулю сигнала с использованием метода дифференциального радиоконтраста

Космические радиолокационные станции с синтезированной апертурой антенны (РСА) уже зарекомендовали себя в качестве наиболее перспективных многофункциональных средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Реализация в РСА принципа синтеза апертуры антенны позволяет получать радиолокационные изображения (РЛИ) субметрового пространственного разрешения, что соответствует возможностям современных оптико-электронных систем землеобзора (ОЭС). Вместе с тем РСА обладают существенными преимуществами по сравнению с ОЭС, среди которых:

• большая дальность обзора;

• независимость от метеорологических условий и времени суток;

• гибкость в реализации различных режимов съемки с возможностью варьирования параметров РЛИ;

• применение широкого спектра алгоритмов обработки радиолокационных сигналов с целью получения разнообразной полезной информации для решения как традиционных, так и уникальных задач землеобзора;

• оперативность получения информации, включая возможность формирования РЛИ на борту носителя РСА в режиме реального времени.

Актуальность.

Пожалуй, наиболее важным достоинством РСА с точки зрения перспектив развития, является разнообразие применяемых режимов съемки и методов обработки радиолокационных данных. Интенсивные научные исследования, проводимые в данной области, обусловливают появление новых алгоритмов обработки траекторных сигналов, предоставляя возможность решать все более сложные задачи с использованием РСА. Тем не менее расширение методологической базы получения и представления полезной информации в РСА требует совершенствования теоретических основ проектирования РЛС и оценки качества конечных радиолокационных изображений. Одним из наиболее важных вопросов, оказывающих существенное влияние на развитие в данной области, является вопрос определения и оценки основных радиометрических характеристик РСА (радиометрической разрешающей способности, шумового эквивалента) и получаемых с их помощью РЛИ. На сегодняшний день центральными проблемами оценки радиометрических параметров РСА являются:

• неясность в понимании влияния процесса некогерентного накопления, осуществляемого с целью улучшения радиометрических характеристик РСА и РЛИ, на величину шумового эквивалента и ее статистические свойстваотсутствие системы оценки радиометрических характеристик РСА по модулю сигнала при активном использовании соответствующих РЛИ в современных геоинформационных системах;

• невозможность учета изменения радиометрических величин при осуществлении вторичной обработки (фильтрации) радиолокационных изображений, являющейся неотъемлемой частью процесса формирования геоинформационного продукта.

Решение вышеописанных проблем в рамках единого подхода позволит избавиться от неоднозначности понимания радиометрических характеристик РСА и проводить их корректную оценку в процессе проектирования, наземной отработки и валидации радиолокатора.

Объектом исследования являются радиолокационные станции с синтезированной апертурой антенны космического базирования.

Предметом исследования являются закономерности изменения радиометрических характеристик РСА при осуществлении некогерентного накопления и вторичной обработки (фильтрации) РЛИ, а также методики оценки данных параметров.

Цель работы и задачи исследований.

Цель работы — предложить методики оценки радиометрических характеристик РСА и РЛИ по модулю сигнала с учетом современного понимания и существующих методов улучшения данных характеристик. Для достижения поставленной цели в работе осуществлялась разработка математического аппарата оценки радиометрической разрешающей способности и шумового эквивалента РСА по модулю сигнала с использованием МДРК.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие шаги:

• провести анализ современных взглядов по вопросу оценки радиометрических характеристик РСА;

• разработать единый математический аппарат для методик оценки радиометрических характеристик РСА по модулю сигнала;

• разработать пакет прикладного программного обеспечения для компьютера, реализующего возможности методик оценки радиометрических характеристик РСА по модулю сигнала;

• исследовать влияние процесса некогерентного накопления на изменение радиометрической разрешающей способности и шумового эквивалента РСА по модулю сигнала;

• провести сравнительный анализ оценки радиометрической разрешающей способности РСА в рамках разработанной системы и традиционным способом по среднеквадратическому отклонению;

• разработать методику оптимизации параметров космического радиолокатора с использованием математического аппарата оценки радиометрических характеристик по модулю сигнала в рамках МДРК;

• разработать методику оценки радиометрических характеристик РЛИ по модулю сигнала после проведения вторичной обработки (фильтрации);

• исследовать влияние вторичной обработки (на примере линейного и нелинейного алгоритмов фильтрации) на радиометрические характеристики РЛИ по модулю сигнала.

Методы исследования.

В работе использовались методы математической статистики и теории вероятностей, методы статистической радиотехники, методы обработки цифровых изображений, математическое моделирование с использованием компьютера.

Научная новизна диссертационной работы.

В результате проведенных исследований были получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан математический аппарат для оценки шумового эквивалента и радиометрической разрешающей способности РСА по модулю сигнала в рамках метода дифференциального радиоконтраста.

2. На основании проведенных исследований получены закономерности изменения радиометрических характеристик РСА по модулю сигнала при осуществлении некогерентного накопления.

3. Предложена методика оптимизации параметров РСА с использованием МДРК по модулю сигнала.

4. Разработана методика оценки радиометрических характеристик РЛИ в РСА по модулю сигнала после применения вторичной обработки (фильтрации).

5. Определены закономерности влияния вторичной обработки (фильтрации) на величину радиометрического разрешения РЛИ по модулю сигнала (на примере простого усредняющего и медианного фильтров).

Практическая значимость диссертации.

1. Разработанные методики оценки радиометрической разрешающей способности и шумового эквивалента РСА по модулю сигнала с учетом некогерентного накопления и вторичной обработки позволяют проводить корректную оценку рассматриваемых радиометрических характеристик при решении задач оптимизации параметров РСА на этапах проектирования и наземной отработки, а также в процессе валидации радиолокатора.

2. По результатам исследований установлено, что эффективность процедуры дешифрования РЛИ по модулю выше, чем РЛИ по мощности за счет лучшего значения вероятности правильного обнаружения радиоконтраста объектов фона (0,8 и 0,67 соответственно).

3. Разработанная методика оптимизации параметров РСА с использованием МДРК по модулю сигнала дает возможность корректно оценивать основные характеристики радиолокатора в различных режимах съемки.

4. Разработанная методика оценки радиометрических характеристик РЛИ в РСА по модулю сигнала после вторичной обработки дает возможность отслеживать изменение рассматриваемых величин в результате применения к РЛИ разнообразных алгоритмов фильтрации и, таким образом, оценивать характеристики конечных радиолокационных изображений. Применение методики оценки радиометрических характеристик РЛИ в РСА по модулю сигнала после вторичной обработки на примере алгоритмов простой усредняющей и медианной фильтрации позволило определить зависимости радиометрического разрешения РЛИ по модулю сигнала от размера окна применяемого фильтра.

Достоверность результатов диссертационного исследования.

Достоверность разработанных методик по оценке радиометрических характеристик РСА обеспечивается использованием корректного математического аппарата и подтверждается сравнением с уже известной, применяющейся в мире методикой оценки радиометрической разрешающей способности РСА по среднеквадратическому отклонению (СКО). Достоверность численных расчетов подтверждена сравнением результатов с имеющимися аналитическими зависимостями.

Личный вклад автора.

Все основные результаты диссертационной работы, включая положения, выносимые на защиту, получены автором лично либо при его непосредственном участии.

Внедрение результатов работы.

Научные результаты диссертационной работы внедрены в виде методик и алгоритмов оценки радиометрических параметров РСА по модулю сигнала в проектах ГУП НПЦ «СПУРТ» (г. Москва) по разработке РЛК «ЭЛСАР» и активной контрольной станции, что подтверждено соответствующими актами.

Положения, выносимые на защиту.

1. Математический аппарат для оценки радиометрических характеристик РСА по модулю сигнала на основе метода дифференциального радиоконтраста.

2. Методика оценки шумового эквивалента РСА при некогерентном накоплении по модулю сигнала с использованием МДРК.

3. Методика оценки радиометрической разрешающей способности РСА по модулю сигнала при некогерентном накоплении с использованием МДРК.

4. Результаты сравнительного анализа разработанных методик с классическими методиками оценки радиометрических характеристик РСА.

5. Методика оптимизации параметров РСА с использованием МДРК.

6. Методика оценки радиометрических характеристик РЛИ в РСА по модулю сигнала после применения вторичной обработки (фильтрации).

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы были представлены на: 53-ей научной конференции МФТИ, Москва, МФТИ, 24−29.11.10 г.- XXVII Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред», Санкт-Петербург, BKA имени А. Ф. Можайского, 17−19.05.11 г.- 33-ей встрече рабочей группы CEOS по калибровке и валидации, Москва, НЦ ОМЗ, 17−20.05.11 г.- 34-ой встрече рабочей группы CEOS по калибровке и валидации, США, Аляска, Фэирбэнкс, 7−9.11.11 г. Публикации по теме работы.

По результатам исследования было опубликовано 7 работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и тезисы двух научных конференций. Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 63 наименований, включая работы автора. Общий объем диссертации — 124 страницы, 25 рисунков, 8 таблиц. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и приложения.

Выводы.

1. Предложенная методика оценки радиометрического разрешения РЛИ модулю сигнала в РСА после фильтрации является универсальной и не зависит от параметров применяемого фильтра при постоянстве вычислительных затрат, что делает ее простой и удобной в применении.

2. Апробация методики на примере простого усредняющего и медианного фильтров показала, что, несмотря на различия в используемых алгоритмах, применение обоих фильтров дает существенное улучшение радиометрического разрешения РЛИ уже при минимальном размере окна (более чем в 2 раза).

3. Применение простого усредняющего фильтра более эффективно (в смысле улучшения радиометрического разрешения РЛИ) по сравнению с медианным за счет большего сглаживания. Так, при однократном сглаживании фильтром с размером апертуры, равным 3, после простого усреднения радиометрическое разрешение РЛИ улучшается с 4,77 дБ до 1,67 дБ, тогда как медианная фильтрация дает результат в 2,2 дБ.

4. Основное практическое значение методики заключается в возможности определения радиометрических характеристик конечных радиолокационных изображений после всех процедур обработки.

5. Разработана методика оптимизации характеристик РСА с использованием метода дифференцированного радиоконтраста. Показано применение разработанной методики на примере РСА «ЭЛСАР» КА «Метеор — М» № 3.

6. Разработана методика оценки радиометрического разрешения РЛИ после осуществления цифровой фильтрации. Показано, что предложенная методика может быть использована для анализа воздействия на радиометрические характеристики РЛИ фильтра с импульсной характеристикой любой сложности. Продемонстрировано применение разработанной методики на примере простого усредняющего и медианного фильтров при разных значениях окна параметра апертуры.

Перечисленные результаты позволяют считать поставленную научную задачу решенной, а цель исследования — достигнутой.

12. Чуркин А. Л. Гидрометеорологический и океанографический космический комплекс четвертого поколения «Метеор-МП» // Геоматика. 2011. № 2.

С. 29−33.

13. Sentinel 1. The Radar Mission for GMES Operational Land and Sea Services // ESA Bulletin 131. 2007. August. P. 11 — 17.

14. Кучейко А. Перспективный радиолокационный спутник «Аркон-2» II Новости космонавтики. 2005. Т. 15. № 1. С. 50 — 53.

15. Трухачев A.A. Радиолокационные сигналы и их применения. М.: Воениздат. 2005. — 320 с.

16. Кук Ч., Бернфелъд М. Радиолокационные сигналы. М.: Советское радио, 1971.-568 с.

17. Кондратенков Г. С. и др. Радиолокационные станции обзора Земли / Под ред. Г. С. Кондратенкова. М.: Радио и связь, 1983. — 272 с.

18. Финкелъштейн М. И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. М.: Сов. радио, 1973.-496 с.

19. Толстое Е. Ф., Яковлев A.M., Карпов O.A. Радиолокационный комплекс аппаратуры наблюдения в программе «Открытое небо» // Радиотехника. 1995. № 11. С. 54−57.

20. Школьный Л. А. Оценка разрешающей способности РЛС с синтезированной апертурой // Радиотехника. 1987. № 10. С. 5 — 8.

21. Договор по открытому небу. Хельсинки, 1992.

22. Решение № 7 Консультативной комиссии по открытому небу. Вена, 1993.

23. Кондратенков Г. С. Синтез оптимальной системы обработки радиоголограммы // Радиотехника. 1978. № 5. т. 33. С. 90−93.

24. Антипов В. Н. и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Под ред.В. Т. Горяинова. М.: Радио и связь, 1988. — 304 с.

25. Лавров A.A. и др. Радиолокационные станции воздушной разведки / Под ред. Г. С. Кондратенкова. М.: Воениздат, 1982. — 197 с.

26. Неронский Л. Б., Михайлов В. Ф., Брагин И. В. Радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны: Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы: Учебное пособие. С-ПГУАП, 1999. — 200 с.

27. Кондратенко в Г. С., Фролов А. Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования земли: Учебное пособие для вузов. / Под ред. Г. С. Кондратенкова.М.: Радиотехника, 2005. — 367 с.

28. Радиолокация поверхности Земли из космоса / Под ред. J1.M. Митника и C.B. Викторова. JL: Гидрометеоиздат, 1990. — 200 с.

29. Мельник Ю. А. и др. Радиолокационные методы исследования Земли / Под ред. Ю. А. Мельника. М.: Сов. радио, 1980. — 264 с.

30. Цифровая обработка сигналов в РСА: Сборник статей / Под ред. Е. Ф. Толстова. Изд-во ВА ВПВО ВС РФ, 2005.

31. Современная радиолокация (анализ, расчет и проектирование систем) / Пер. с англ. под ред. Ю. Б. Кобзарева. М.: Сов. радио, 1969. — 704 с.

32. Четверик В.H. Дифференциальный радиоконтраст в задачах оценки качества радиолокационных изображений // Известия вузов. Электроника. 2008. № 1. С. 62 — 67. (Информационные технологии).

33. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. — 656 с.

34. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. радио, 1966. — 680 с.

35. Школьный Л. А., Глазков С. Л.,. Шрамко В. М. Цифровое моделирование процесса формирования радиолокационного изображения диффузной поверхности в РСА // Научно-методические материалы по импульсной технике и дискретной обработке информации. Изд. ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1984.

36. Чистяков В. П. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1982. — 255 с.

37. Абергауз Г. Г. и др. Справочник по вероятностным расчетам. М.: Воениздат, 1970. — 536 с.

38. Лукач Е. Характеристические функции. М:. Наука, 1979. — 424 с.

39. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: ГИТТЛ, 1957. Гл. 4.

40. Захаров В Д. и др. Аппаратно-программная реализация методов контроля радиометрических характеристик космических РСА // Вопросы радиоэлектроники. Сер. СОИУ. 2012. Вып. 2. С. 182 — 196.

41. Захаров В. Д. Оценка радиометрического разрешения по фону радиолокационных изображений в РСА после вторичной обработки с использованием метода дифференциального радиоконтраста // Известия вузов. Электроника. 2012. Вып. 2. С. 104— 106.

42. Захаров. В.Д., Лепехина Т. А., Николаев В. И. Определение радиометрических характеристик космического РСА с использованием активной контрольной станции // Естественные и технические науки. 2012. Вып. 2. С. 315−317.

43. Захаров В. Д., Толстое Е. Ф., Четверик В. Н. Оценка радиометрических характеристик РСА по модулю сигнала с позиций метода дифференциального радиоконтраста // Радиопромышленность. 2011. Вып. 4. С. 110−121.

44. Захаров В Д., Толстое Е. Ф., Четверик В. Н. Оценка шумового эквивалента и радиометрического разрешения РСА по методу дифференциального радиоконтраста // Радиопромышленность. 2011. Вып. 4. С. 122 — 134.

45. Ефимов А. В. и др. Принципы оценки радиометрических характеристик СШП ГеоРСА с использованием МДРК // Сборник статей XXI Всероссийской научно-технической школы-семинара «Прием, передача, обработка и отображение информации о быстропротекающих процессах». М.:РПА «АПР». 2011. С. 508- 518.

46. Gonzales R.C., Woods R.E. Digital Image Processing. 2 e<�±, PH, 2001. — 793 p.

47. Kenneth R. Castleman. Digital Image Processing — 667p.

48. Cumming J.G., Wong F.H. Digital processing of synthetic aperture radar data: Algorithms and Implementation. BostonLondon. Artech House, 2005.

49. Moore R.K. Tradeoff Between Picture Element Dimentions and Noncoherent Averaging in Side-Looking Airborne Radar // IEEE Trans. On Aerospace and Electronic Systems. V. AES-15. 1979. № 5. Sept. P. 697 — 708.

50. Herland E.A. Application of satellite based sidelooking radar in marytime surveillance // Norvegian Defence Research Establishment, report 82/1001. 1982. September. — 110 p.

51. Serkan M. et al. Edge and Fine Detail Preservation in S AR Images through Speckle Reduction with an Adaptive Mean Filter // International Journal of Remote Sensing. 2008. December. Vol. 29, № 23, 10. P. 6727- 6738.

52. Shanthi I., Valarmathi M.L. Speckle Noise Suppression of SAR Image using Hybrid Order Statistics Filters // International Journal of Advanced Engineering Sciences and Technologies. 2011. Vol № 5. Issue № 2. P. 229 — 235.

53. Qiu Fang et al. Speckle Noise Reduction in SAR Imagery Using a Local Adaptive Median Filter // GIScience and Remote Sensing. 2004. 41, № 3. P. 244 — 266.

54. Wang Bo, Garello R., Chapron B. SAR Speckle Characteristics Observed on RADARSAT-2 Dual Polarization Product for Sea // Ocoss'2010 Conference at-a-glance, Session 6: Analysis, Simulation & Modeling. Wednesday, June 23.

55. Frost V. S. et al. A model for radar images and its application to adaptive digital filtering of multiplicative noise // IEEE Trans, on Pattern Anal, and Machine Intell. 1982. Vol. 4, P. 157 — 166.

56. Frost V.S. Probability of Error and Radiometric Resolution for Target Discrimination in Radar Images // IEEE Trans. On Geoscience and Remote Sensing. 1984. March. Vol. GE 22, № 2. P. 121 — 125.

57. Lee J.-S. Digital Image Enhancement and Noise Filtering by Use of Local Statistics. // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1980. March. Vol. PAMI-2. № 2, P. 165 — 168.

58. Kuan D.T. et al. Adaptive noise smoothing filter for images with signal-dependent noise. // IEEE Trans, on Pattern Anal, and Machine Intell. 1985. Vol. 7. P. 165- 177.

59. Azimi-Sadjadi M.R., Bannour S. Two-dimensional adaptive block Kalman filtering of SAR imagery // IEEE Trans, on Geosci. and Remote Sensing. 1991. Vol. 29. R 742 — 753.

60. Argenti F., Alparone L. Speckle removal from SAR images in the undecimated wavelet domain // IEEE Trans, on Geosci. and Remote Sensing. 2002. November. Vol. 40. P. 2363 — 2374.

61. JainA.K. Fundamental of Digital Image Processing. NJ.: Prentice-Hall, 1989.

62. Goodman J. W. Some fundamental properties of speckle // J. Opt. Soc. Amer. 1976. November. Vol. 66. P. 1145 — 1150.

63. Zengguo Sun, Chongzhao Han. Suppression of Multiplicative Noise Based on Adaptive Windowing and Local Structure Detection // Information Fusion, 2007 10th International Conference on. Canada. Quebec. 2007. 9−12 July,.

P. 1 — 6.