СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АППАРАТНОЙ ФУНКЦИИ РАДИОМЕТРА Российский патент 2017 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра, и может быть использовано для получения радиотеплового изображения различных объектов.

В настоящее время пассивные системы радиовидения, работающие в области миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, находят все большее применение для целей микроволнового мониторинга различных объектов и окружающей среды (осадки, аэрозольные загрязнения атмосферы, свойства подстилающих поверхностей и др.). Но для использования радиометра в системах радиовидения и получения (синтеза) радиотеплового изображения наблюдаемого объекта необходимо с высокой степенью точности знать его аппаратную функцию.

В качестве ближайшего аналога заявляемого способа принят способ определения аппаратной функций радиометра, заключающийся в размещении контрольного объекта в зоне обзора антенны радиометра, сканировании контрольного объекта антенной радиометра по азимуту и углу места и формировании в результате сканирования матрицы Y радиометрического изображения контрольного объекта с последующей математической обработкой матрицы Y. Контрольный объект представляет собой точечный (эталонный) источник, характеризующийся контрастом по отношению к окружающему фону и позволяющий получить эталонное изображение в виде дельта-функции. Аппаратная функция получается вычитанием из изображения наблюдаемой сцены изображения фоновой сцены, формируемого в радиометре в отсутствии контрольного объекта [1].

Недостаток известного способа заключается в следующем. В реальных условиях наблюдения за объектами с помощью радиометра сложно получить эталонное изображение контрольного объекта в виде дельта-функции, поэтому в известном способе измерение аппаратной функции производится в лабораторных условиях. Однако в реальных условиях эксплуатации радиометра, в частности, при определении радиотеплового контраста протяженных объектов, величина (значение) аппаратной функции радиометра будет отличаться от ее величины, измеренной в лабораторных условиях вследствие размытия формы аппаратной функции. Как следствие, практически невозможно получить истинное радиотепловое изображение наблюдаемых объектов.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в определении корректной величины аппаратной функции радиометра в условиях его эксплуатации с целью обеспечения возможности получения радиотеплового изображения наблюдаемых объектов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения аппаратной функции радиометра, заключающемся в размещении в зоне обзора антенны радиометра контрольного объекта, характеризующегося контрастом по отношению к окружающему фону, сканировании контрольного объекта антенной радиометра по азимуту и углу места, формировании матрицы Y радиометрического изображения контрольного объекта и нахождении аппаратной функции радиометра, в качестве контрольного объекта используют произвольный объект и формируют радиометрическое изображение области, содержащей контрольный объект с прилегающим фоном; при этом дополнительно получают оптическое изображение упомянутой области, формируют матрицу X оптического изображения упомянутой области с контрольным объектом, приводят матрицу X в соответствие масштабу матрицы Y, сегментируют матрицу X по контрасту амплитуд соседних сегментов, для каждого найденного сегмента вычисляют среднюю нормированную радиометрическую амплитуду и принимают сегментированную матрицу X за эталонное радиометрическое изображение контрольного объекта, а процедуру нахождения аппаратной функции радиометра осуществляют посредством преобразования матрицы X в псевдообратную матрицу Х⁺, построчного переписывания матрицы Y в вектор , умножения вектора справа на матрицу Х⁺, формирования вектора и построчной записи элементов вектора в матрицу А, являющуюся матричным представлением аппаратной функции радиометра.

Указанный технический результат достигается также тем, что получение оптического изображения области, содержащей контрольный объект, осуществляют с помощью фотокамеры.

Изобретение иллюстрируется рисунками. На фиг. 1-3 показаны этапы определения аппаратной функции, на фиг. 4-6 иллюстрируется получение радиометрического изображения с помощью найденной аппаратной функции.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. В зоне обзора антенны радиометра размещают произвольный контрольный объект, который характеризуется определенным контрастом по отношению к прилегающему к нему фону. В результате сканирования антенной радиометра по азимуту и углу места области D расположения контрольного объекта формируется матрица Y радиометрического изображения с элементами y(i,j), , , где М и N - число строк и столбцов матрицы Y, при этом изображение контрольного объекта представляет собой односвязную и однородную по амплитуде подобласть G⊂D, контрастную по отношению к прилегающему к контрольному объекту однородному фону.

При помощи фотокамеры, расположенной в непосредственной близости от радиометра, регистрируется оптическое изображение области, содержащей контрольный объект с прилегающим к нему фоном, и формируется матрица X оптического изображения области D с элементами x(i,j), , , имеющими смысл интенсивности оптического излучения в i-м, j-м угловом направлении, где M_x=k⋅М, N_x=k⋅N, k - масштабный множитель (целое число). Матрица X приводится в соответствие масштабу матрицы Y пересчетом значений ее элементов по формуле (1):

и запоминанием полученных элементов x₁(i,j) в матрице X: x(i,j)=x₁(i,j), .

Полученная матрица X сегментируется в соответствии с известными алгоритмами сегментации, например [2], по контрасту амплитуд элементов соседних сегментов. Результатом операций сегментации является матрица меток {S(i,j)}, , где S - номер сегмента, которому принадлежит i-й, j-й элемент матрицы X. Далее для каждого s-го сегмента матрицы X вычисляется средняя нормированная радиометрическая амплитуда усреднением амплитуд соответствующих i-x, j-x элементов y(i,j) матрицы Y с теми же метками S(i,j) по формуле (2):

где n_s - количество элементов с меткой s; μ - нормирующий множитель, учитывающий интегральный характер наблюдений.

Амплитуда присваивается элементам матрицы X с меткой . Полученная матрица X принимается за эталонное радиометрическое изображение контрольного объекта с четко выраженными по контрасту границами сегментов.

Процедура нахождения аппаратной функции радиометра состоит в следующем. Элементы матрицы X переписываются в матрицу Х₁, отвечающую модели радиометрического изображения по формуле (3):

где - вектор измерений y(i,j), считанных построчно из матрицы Y={y(i,j)}; Х₁ - матрица элементов x(i,j), расположенных в соответствии с (1); - вектор искомых значений аппаратной функции; - вектор помех.

Затем для матрицы Х₁ находится псевдообратная матрица Х⁺ по формуле (4):

где Т - символ транспонирования; Е - единичная матрица; δ - параметр регуляризации - малое положительное число, необходимое для устойчивого обращения матрицы . Матрица Х⁺ также может быть найдена сингулярным разложением Х₁, например, в среде Matlab: Х⁺=pinv(X₁,δ).

На следующем этапе матрица Y радиометрического изображения построчно переписывается в вектор , который затем умножается справа на матрицу Х⁺ и в результате получается вектор .

Элементы вектора построчно записываются в матрицу A={α(i,j)}, являющуюся матричным представлением аппаратной функции радиометра. Найденная аппаратная функция радиометра используются в дальнейшем для получения радиотеплового изображения наблюдаемых объектов в зоне обзора радиометра.

Заявляемый способ был проверен на модельном эксперименте. Изображение контрольного объекта в матрице X моделировалось в форме квадрата с амплитудой U₀=10 на внешнем фоне с амплитудой U_ф=0. Матрица Y радиометрического изображения (фиг. 1) получалась в результате сканирования матрицы X диаграммой направленности антенны (ДНА) размером 7×7 при СКО помехи σ_p=0,05. Аппаратная функция моделировалась экспонентой с квадратичным показателем степени. В матрице Y выделялась подобласть размером M×N=23×23 с размытым изображением контрольного объекта.

В качестве оптического изображения рассматривалось моделируемое изображение X контрольного объекта с внешним фоном в матрице размером M×N=23×23. В результате сегментации пороговым методом на оптическом изображении X выделялись два сегмента - объекта и фона, и элементам каждого сегмента присваивалась амплитуда. Полученное эталонное радиометрическое изображение (фиг. 2) использовалось для нахождения аппаратной функции.

Далее найденная аппаратная функция радиометра (фиг. 3) использовались для определения более сложного изображения X объекта в виде двух сегментов - рамки 9×9 шириной в 2 элемента с амплитудой U₀=10 и внутренней части рамки в виде квадрата 5×5 с амплитудой U₁=5 и внешнего фона с амплитудой U_ф=0 - фиг. 4. Матрица Y моделировалась для ДНА 7×7 при СКО помехи σ_р=0,01. При нахождении изображения X применялся матричный метод [3].

На фиг. 5 показано радиометрическое изображение моделируемого объекта, на фиг. 6 - найденное изображение моделируемого объекта, полученное с помощью определенной ранее аппаратной функции радиометра.

Предлагаемый способ позволяет определить аппаратную функцию радиометра в реальных условиях его эксплуатации за счет формирования эталонного изображения с использованием оптического изображения произвольного контрольного объекта. Такой подход позволяет исключить неоднозначность, возникающую при использовании аппаратной функции радиометра, найденной с помощью эталонного объекта в условиях, отличающихся от реальных условий его эксплуатации.

Использование заявляемого способа за счет корректного определения аппаратной функции радиометра способствует более эффективному функционированию существующих радиометрических систем получения радиотеплового изображения различных объектов и окружающей среды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методика измерения аппаратной функции пассивной системы радиовидения / www.backstage.narod.ru/education/diplom98.pdf.

2. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006. 616 с.

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

Изобретение относится к радиотеплолокации, а именно к пассивным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра, и может быть использовано для получения радиотеплового изображения различных объектов. Технический результат изобретения заключается в определении корректной величины аппаратной функции радиометра в условиях его эксплуатации с целью обеспечения возможности получения радиотеплового изображения наблюдаемых объектов. Указанный результат достигается за счет размещения в зоне обзора антенны радиометра контрольного объекта, сканирования объекта антенной радиометра по азимуту и углу места, формирования радиометрического и оптического изображений области, содержащей контрольный объект с прилегающим фоном; формирования матриц Y и X, соответственно, радиометрического и оптического изображения, сегментирования матрицы X по контрасту амплитуд, представлении матрицы X в качестве эталонного радиометрического изображения контрольного объекта, и последующей математической обработки матриц Y и X с получением матрицы А, являющейся матричным представлением аппаратной функции радиометра. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения аппаратной функции радиометра, заключающийся в размещении в зоне обзора антенны радиометра контрольного объекта, характеризующегося контрастом по отношению к окружающему фону, сканировании контрольного объекта антенной радиометра по азимуту и углу места, формировании матрицы Y радиометрического изображения контрольного объекта и нахождении аппаратной функции радиометра, отличающийся тем, что в качестве контрольного объекта используют произвольный объект и формируют радиометрическое изображение области, содержащей контрольный объект с прилегающим фоном; при этом дополнительно получают оптическое изображение упомянутой области, формируют матрицу X оптического изображения упомянутой области с контрольным объектом, приводят матрицу X в соответствие масштабу матрицы Y, сегментируют матрицу X по контрасту амплитуд соседних сегментов, для каждого найденного сегмента вычисляют среднюю нормированную радиометрическую амплитуду и принимают сегментированную матрицу X за эталонное радиометрическое изображение контрольного объекта, а процедуру нахождения аппаратной функции радиометра осуществляют посредством преобразования матрицы X в псевдообратную матрицу Х⁺, построчного переписывания матрицы Y в вектор , умножения вектора справа на матрицу Х⁺, формирования вектора и построчной записи элементов вектора в матрицу А, являющуюся матричным представлением аппаратной функции радиометра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получение оптического изображения области, содержащей контрольный объект, осуществляют с помощью фотокамеры.