СПОСОБ ДВУХЭТАПНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к системам активной и пассивной радиолокации наблюдения за наземными и воздушными объектами на базе подвижных и неподвижных носителей станций со сканирующими антеннами.

При получении радиолокационных изображений (РЛИ) наземных или воздушных объектов в системах активной локации на базе бортовых радиолокационных станций (РЛС) реального луча или пассивной локации на базе радиотеплолокационных станций (РТЛС) миллиметрового диапазона осуществляется построчное сканирование зоны обзора смещением антенны по азимуту и по углу места. После прохождения тракта первичной обработки принятые сигналы переводятся в двумерное амплитудное изображение в координатах азимут - угол места, которое выводится на экран индикатора. Однако изображение получается смазанным по строкам и столбцам на ширину диаграммы направленности антенны (ДНА) на уровне 0,5 мощности. Повышение разрешающей способности смазанных двумерных изображений достигается их алгоритмической обработкой с привлечением оптимальных методов восстановления изображений, например [1-4]. Однако открытой остается проблема повышения быстродействия алгоритмов восстановления, особенно актуальная при получении РЛИ на базе бортовых РЛС и РТЛС.

Известны способы восстановления двумерных изображений в пространственной [1, 2, 4] и частотной [1, 2, 3] областях. Применение частотных методов, в отличие от пространственных, позволяет использовать для восстановления РЛИ быстрое преобразование Фурье (БПФ) на базе специализированных (сигнальных) процессоров бортовых ЭВМ. Однако при обработке больших массивов данных в реальном масштабе времени быстродействие частотных методов ограничено ресурсами бортовых ЭВМ.

Наиболее близким по технической сущности является способ восстановления двумерных изображений в частотной области [3]. Рассматривается интегральная (суммарная) модель измерений вида:

, ,

где (2m₁+1)×(2m₂+1) - размер прямоугольной апертуры измерений, определяемый шириной ДНА; α(i₁, i₂) - нормированные коэффициенты ДНА, обычно аппроксимируемые экспоненциальной функцией с квадратичным показателем степени; x(i₁, i₂) - действительные или в общем случае комплексные амплитуды поля X отражения в РЛС или излучения в РТЛС, характеризующие интенсивность поля в i₁, i₂-x элементах дискретизации; w(j₁, j₂) - помеха типа белого шума; N₁×N₂ - размеры зоны обзора, N₁>2m₁+1, N₂>2m₂+1.

Задача заключается в восстановлении или поиске оценок элементов х(i₁, i₂) поля X в зоне обзора в частотной области и решается следующим образом.

1. Находится двумерное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) выражения (1), которое дает алгебраическое уравнение относительно неизвестного X в области целочисленных частот n₁, n₂:

, ,

где Y, А, X и W - образы двумерного ДПФ, причем Y{n₁, n₂) вычисляется в реальном времени по формуле:

а ДПФ A(n₁, n₂) вычисляется заранее:

2. Из уравнения (2) без учета помех W(n₁, n₂)находится Фурье-образ искомого поля X с помощью восстанавливающего фильтра:

где , ; Н(n₁, n₂) - заранее вычисляемая передаточная функция восстанавливающего фильтра, на вход которого подается Y(n₁, n₂). Причем функция Н(n₁, n₂) обратно зависит от спектральной характеристики ДНА и прямо зависит от стабилизирующего множителя R(n₁, n₂), который предотвращает резкое увеличение Н(n₁, n₂) в нулях спектральной характеристики А(n₁, n₂) и подавляет помеху W(n₁, n₂) на краях спектра ДНА [1]:

где δ - параметр регуляризации, практически выбираемый подбором из соображений приемлемого качества восстановленного изображения, при этом идут на компромисс между зашумленностью изображения и узнаваемостью изображений объектов, после чего зашумленность убирают с помощью нелинейных пространственных фильтров [3]; Ω(n₁, n₂) - возрастающая функция n₁ и n₂, например, степенная: , где r и s - порядки регуляризации, обычно равные 1 или 2.

Фильтр (5) почти без искажений пропускает низкочастотные составляющие входного сигнала и усиливает высокочастотные (на спаде характеристики ДНА), увеличивающие четкость изображения.

3. Осуществляется перевод решения (5) в пространственную область с помощью обратного двумерного ДПФ:

, ,

4. Совокупность оценок , найденных в (7), представляет матрицу восстановленного амплитудного РЛИ наземной или воздушной обстановки с разрешением по углу места и азимуту, размеры которой N₁×N₂ равны размерам матрицы измерений Y. В случае комплексных измерений (1) дополнительно берутся модули комплексных оценок .

5. В отличие от РТЛС, принимающей излученный сигнал во всем диапазоне дальности, для РЛС изображение находится в различных элементах разрешения дальности, по совокупности которых может формироваться трехмерное РЛИ.

Однако указанный способ обладает следующим недостатком. Организация вычислений в (3), (5), (7) при N₁=N₂=N требует 2N⁴+N²~2N⁴ обобщенных операций при восстановлении всего поля изображения за счет двойного суммирования, в то время как при рациональной организации вычислений в виде повторной суммы с учетом свойства разделения по переменным характеристики ДНА количество таких операций может быть снижено примерно в 2 раза.

Технический результат направлен на увеличение быстродействия алгоритма восстановления РЛИ за счет выполнения операций восстановления в виде двухэтапной процедуры с учетом свойства разделения характеристики ДНА α(i₁, i₂) в (1) по переменным:

где a(i₁) и b(i₂) - четные функции одной переменной.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ двухэтапного восстановления радиолокационного изображения заключается в том, что при наблюдении за поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующей антенны последовательно смещают антенну построчно по азимуту (по i₂, и углу места (по i₁, на величину элемента дискретизации в зоне обзора размером (N₁+1)×(N₂+1), измеряют при каждом положении антенны значения амплитуд принимаемых сигналов в пространственных координатах i₁, i₂, и составляют из них матрицу y(i₁, i₂) РЛИ, отличается тем, что вначале для каждой i₁-й строки, , матрицы РЛИ находят одномерное ДПФ Y(i₁, n₂), , измерений, взятых по строке, и умножают Y(i₁, n₂) на заранее вычисленную передаточную функцию Н₂(n₂) частоты n₂, в результате получают ДПФ восстановленного РЛИ по строкам, затем независимо или параллельно в каждом i₂-м столбце, матрицы РЛИ умножают на заранее вычисленную передаточную функцию Н₁(n₁) частоты n₁, в результате получают ДПФ восстановленного РЛИ по столбцам, далее применяют к обратное двумерное ДПФ и получают восстановленное РЛИ в пространственной области , с разрешением по углу места и азимуту.

Алгоритмически способ осуществляется следующим образом.

1. Заранее вычисляются одномерные ДПФ коэффициентов ДНА:

и передаточные функции одномерных восстанавливающих фильтров:

где R₁(n₁), R₂(n₂) - стабилизирующие множители:

необходимые для устойчивой работы фильтров; δ - параметр регуляризации, выбираемый заранее; k=1 или 2.

2. В процессе формирования i₁-x строк, , матрицы РЛИ в частотной области находится одномерное ДПФ измерений, взятых по строке:

Одновременно вычисляется ДПФ промежуточных оценок:

3. Затем независимо или параллельно в каждом i₂-м столбце, , матрицы РЛИ вычисляется ДПФ искомых оценок:

4. Обратным двумерным ДПФ по формуле (7) восстанавливается искомое изображение , ,

В случае комплексных измерений (1) берутся модули комплексных оценок , совокупность которых представляет восстановленное амплитудное РЛИ наземной или воздушной обстановки в зоне обзора РЛС с повышенной разрешающей способностью по углу места i₁ и азимуту i₂, которое выводится на экран индикатора.

Выбор параметра регуляризации δ в (12) целесообразно подчинить условию узнаваемости восстановленного изображения в ущерб его зашумленности в адаптивном режиме с помощью человека-оператора [3].

Обоснованием предложенного способа являются следующие преобразования. С учетом свойства (8) модель измерений в виде двойной суммы (1) представляется повторной суммой:

или в виде двух одномерных сверток:

с изображениями

или без учета помех W(n₁, n₂):

Тогда двухэтапное решение задачи восстановления в частотной области для модели (16) сводится к последовательному нахождению оценок:

где А(n₁), В(n₂), Н₁(n₁), Н₂(n₂) и R₁(n₁), R₂(n₂) определены в (9)-(11).

Коэффициенты ДНА удобно аппроксимировать экспоненциальной функцией с квадратичным показателем степени:

где Δ₁ и Δ₂ - ширина ДНА (в осевом сечении) по азимуту и углу места на уровне 0,5 мощности: Δ₁=2m₁+1, Δ₂=2m₂+1; с - коэффициент аппроксимации (например: с=1,694 или с=0,694 для более широкой ДНА).

Так как при переводе в частотную область начальная точка отсчета i₀₁, i₀₂ в пространственной системе координат i₁, i₂ может быть выбрана произвольно, то при вычислении (9), (10) целесообразно координаты i₀₁, i₀₂ выбирать по центру N₁×N₂ - окна измерений: i₀₁=(N_l-1)/2, i₀₂=(N₂-1)/2, где N₁, N₂ - нечетные числа, тогда

Способ двухэтапного восстановления РЛИ в частотной области позволяет при N₁=N₂=N уменьшить число обобщенных операций с 2N⁴+N²~2N⁴ до N⁴+N³+2N²~N⁴ (примерно в 2 раза).

Литература

1. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изображений. - М.: Радио и связь, 1986. 304 с.

2. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. пособие / И.С.Грузман, B.C.Киричук и др. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.

3. Воскобойников Ю.Е. Комбинированный нелинейный алгоритм восстановления контрастных изображений при неточно заданной аппаратной функции // Автометрия. 2007. №6. С.3-16.

4. Патент RU 2284548 С1. Способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой на базе бортовой РЛС / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02. Приоритет 23.06.2005. Опубл.: 27.09.2006. Бюл. №27.

Изобретение относится к системам активной и пассивной радиолокации наблюдения за наземными и воздушными объектами на базе подвижных и неподвижных носителей станций со сканирующими антеннами. Достигаемый технический результат - увеличение быстродействия восстановления радиолокационных изображений (РЛИ) за счет выполнения операций восстановления в виде двухэтапной процедуры с учетом свойства разделения характеристики диаграммы направленности антенны по переменным. Заявленный способ заключается в том, что при наблюдении за поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующей антенны последовательно смещают антенну по азимуту и углу места на величину элемента дискретизации построчно в зоне обзора, измеряют при каждом положении антенны значения амплитуд принимаемых сигналов в пространственных координатах, вычисляют для совокупности амплитуд дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и обрабатывают его с помощью восстанавливающего фильтра, при этом используют одномерное ДПФ в виде двухэтапной процедуры: вначале обрабатывают изображение одномерным восстанавливающим фильтром вдоль строк матрицы РЛИ и затем вдоль столбцов.

Способ двухэтапного восстановления радиолокационного изображения, заключающийся в том, что при наблюдении за поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующей антенны последовательно смещают антенну построчно по азимуту (по i₂, ) и углу места (по i₁, ) на величину элемента дискретизации в зоне обзора размером (N₁+1)×(N₂+1), измеряют при каждом положении антенны значения амплитуд принимаемных сигналов в пространственных координатах i₁, i₂, и составляют из них матрицу y(i₁, i₂) радиолокационного изображения (РЛИ), отличающийся тем, что вначале для каждой i₁-й строки, , матрицы РЛИ находят одномерное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) Y(i₁, n₂), , измерений, взятых по строке, и умножают Y(i₁, n₂) на заранее вычисленную передаточную функцию Н₂(n₂) частоты n₂, в результате получают ДПФ восстановленного РЛИ по строкам, затем независимо или параллельно в каждом i₂-м столбце, , матрицы РЛИ умножают на заранее вычисленную передаточную функцию H₁(n₁) частоты n₁, , в результате получают ДПФ , восстановленного РЛИ по столбцам, далее применяют к обратное двумерное ДПФ и получают восстановленное РЛИ в пространственной области , с разрешением по углу места и азимуту.