Способ получения трехмерного радиолокационного изображения земной поверхности в двухпроходном интерферометрическом режиме съемки с беспилотного летательного аппарата - RU2748760C2

Описание

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны (РСА), установленной на беспилотном летательном аппарате, для оперативного определения рельефа местности.

Известен способ получения трехмерного радиолокационного изображения (пат. 2290663 Рос. Федерация: МПК G01S 13/86 / Клочко В.К.; заявитель и патентообладатель Рязанская государственная радиотехническая академия (РГРТА). Заявл. 08.08.05; опубл. 27.12.06, Бюл. № 36), заключающийся в создании режима повышенного разрешения, позволяющего сформировать матрицу A(i,j) двумерного радиолокационного изображения в виде совокупности амплитуд отраженного сигнала, зафиксированных в i-х элементах разрешения дальности и j-х синтезированных элементах разрешения по азимуту (доплеровской частоте), при этом для каждого i,j-го элемента матрицы изображения поверхности, создающего радиолокационную тень, дополнительно с амплитудой сигнала отражения A(i,j) по длине тени измеряют высоту, значение которой присваивают другим элементам матрицы по определенному правилу, и тем самым формируют матрицу высот H(i,j), которая совместно с матрицей A(i,j) представляет трехмерное изображение поверхности. Технический результат направлен на получение трехмерного радиолокационного изображения поверхности. Недостатком известного способа является низкая точность оценки высот рельефа в случае, например, перепадов высот рельефа при отсутствии высоких объектов на поверхности в зоне обзора бортовой радиолокационной станции, дающих радиолокационную тень.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ получения трехмерных радиолокационных изображений наблюдаемой земной (морской) поверхности в интерферометрическом режиме РСА воздушной разведки (Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений: учебник для курсантов ВВИА имени профессора Н.Е. Жуковского / Л.А. Школьный, Е.Ф. Толстов, А.Н. Детков, О.А.. Карпов, А.М. Яковлев, М.П. Титов, А.А. Филатов, А.Н. Тонких, О.Е. Цветков, А.С. Архангельский. Под ред. Л.А. Школьного. – М.: изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. – 531 с. С. 468–481), заключающийся в том, что с помощью радиолокационной системы производят съёмку с близких повторяющихся траекторий носителя, расстояние между которыми составляет базу синтезируемого интерферометра, синтезируют пару двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке выбранного участка поверхности с разных ракурсов наблюдения, проводят пространственное совмещение радиолокационных изображений одной и той же области поверхности, например, с использованием корреляционных методов, формируют интерферограмму в координатах «азимут-дальность» путем поэлементного комплексного перемножения двух предварительно согласованных радиолокационных изображений, при этом второе изображение должно быть комплексно-сопряженным, проводят фильтрацию шумов интерферограммы с помощью фильтра, раскрывают фазовую неоднозначность, пересчитывают разности фаз на высоты рельефа по формуле:

, (1)

где

-ый номер азимутальной позиции, -ый номер элемента разрешения по дальности, – значение высоты для участка рельефа -го, -го элемента разрешения, – высота полета носителя РСА относительно его линии пути для -ой координаты по азимуту, – дальность от антенны РСА до -го, -го элемента разрешения участка рельефа, – длина волны РСА, – база синтезируемого интерферометра, – измеренная разность фаз -го, -го элемента разрешения участка рельефа, и на завершающем этапе получения трехмерного радиолокационного изображения переходят от полетной системы координат к какой-либо картографической и формируют визуальное трехмерное радиолокационное изображение.

Основным недостатком прототипа является низкая точность оценки высот рельефа при высокой пространственной декорреляции пары сигналов вследствие неустранимых траекторных нестабильностей беспилотного летательного аппарата, а также в случае отсутствия в зоне обзора бортовой радиолокационной станции радиоконтрастных объектов, при малом отношении сигнал-шум, поскольку используемые на этапе пространственного совмещения радиолокационных изображений одной и той же области поверхности известные методы, например, на основе корреляционных, разностных, парных, ранговых и спектральных критериальных функций (см., например, Елесина С.И., Ефимов А.И. Отбор критериальных функций для систем улучшенного и комбинированного видения // Известия ТулГУ, технические науки. 2013. № 9, Ч. 1. С. 229–236) в таких условиях не обеспечивают высокой точности совмещения, что приводит к ошибкам измеренной разности фаз двух радиолокационных изображений (интерферограммы), а именно к большим значениям третьей составляющей выражения:

, (2)

где

– реально измеренная разность фаз -го, -го элемента интерферограммы, – истинная разность фаз -го, -го элемента интерферограммы, – систематическая ошибка измерения разности фаз для -го, -го элемента разрешения участка рельефа, вызванная фазовой неоднозначностью, – случайная ошибка измерений разности фаз (фазовый шум) для -го, -го элемента разрешения участка рельефа, вызванная низкой точностью совмещения изображений.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности оценки высот рельефа за счет определения по критерию максимума градиента области локальной энтропии пар опорных точек, соответствующих радиолокационной тени на паре модулей синтезированных двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке участка поверхности с разных ракурсов наблюдения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения трехмерных радиолокационных изображений наблюдаемой земной (морской) поверхности в интерферометрическом режиме РСА воздушной разведки заключающемся в том, что с помощью радиолокационной системы производят съёмку с близких повторяющихся траекторий носителя, расстояние между которыми составляет базу синтезируемого интерферометра, синтезируют пару двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке выбранного участка поверхности с разных ракурсов наблюдения, проводят пространственное совмещение радиолокационных изображений одной и той же области поверхности, например, с использованием корреляционных методов, формируют интерферограмму в координатах «азимут-дальность» путем поэлементного комплексного перемножения двух предварительно согласованных радиолокационных изображений, при этом второе изображение должно быть комплексно-сопряженным, проводят фильтрацию шумов интерферограммы с помощью фильтра, раскрывают фазовую неоднозначность, пересчитывают разности фаз на высоты рельефа, переходят от полетной системы координат к какой-либо картографической и формируют визуальное трехмерное радиолокационное изображение, согласно предлагаемому изобретению дополнительно по паре модулей синтезированных двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке выбранного участка поверхности с разных ракурсов наблюдения, вычисляют максимумы градиента области локальной энтропии и по вычисленным значениям проводят определение пар опорных точек для последующего пространственного совмещения по ним изображений, например, корреляционным методом.

Зависимость дисперсии случайных ошибок измерения разности фаз от коэффициента корреляции, характеризующего степень согласованности двух радиолокационных изображений, с достаточной точностью определяется известным соотношением (см., например, Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений: учебник для курсантов ВВИА имени профессора Н.Е. Жуковского / Л.А. Школьный, Е.Ф. Толстов, А.Н. Детков, О.А.. Карпов, А.М. Яковлев, М.П. Титов, А.А. Филатов, А.Н. Тонких, О.Е. Цветков, А.С. Архангельский. Под ред. Л.А. Школьного. – М.: изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. – 531 с., С. 478):

, (3)

где

– дисперсия случайных ошибок измерения разности фаз, – коэффициент корреляции степени согласованности радиолокационных изображений.

Таким образом, за счет проведения согласования двух радиолокационных изображений с высокой точностью снижается дисперсия случайных ошибок измерения разности фаз и достигается повышение точности оценки высот рельефа.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно по паре модулей синтезированных двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке участка поверхности с разных ракурсов наблюдения, вычисляют энтропию (см., например, Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. – М.: Техносфера, 2006. – 616 с. С. 484–484.) для каждого элемента изображений в пределах его окрестности заранее заданного размера, затем по критерию максимума градиента области локальной энтропии проводят определение пар опорных точек, соответствующих области радиолокационной тени, для последующего пространственного совмещения по ним изображений, например, корреляционным методом.

Этим достигается указанный в изобретении результат.

Работа заявляемого способа получения трехмерного радиолокационного изображения земной поверхности в двухпроходном интерферометрическом режиме съемки с беспилотного летательного аппарата осуществляется следующим образом.

С помощью радиолокационной системы производят съёмку с близких повторяющихся траекторий полета носителя, расстояние между которыми составляет базу синтезируемого интерферометра, синтезируют пару двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке участка поверхности с разных ракурсов наблюдения, для каждого элемента синтезированных изображений в пределах его окрестности заранее заданного размера вычисляют энтропию согласно выражению:

, (4)

где

– случайная величина, обозначающая яркость, – гистограмма распределения уровней яркости в заданной окрестности, – число различных значений яркости, на сформированной таким образом паре энтропийных изображений вычисляют максимумы градиента локальной области для определения соответствующих пар опорных точек, например, путем пороговой обработки или кластеризации, основываясь на том, что в случае отсутствия в зоне обзора бортовой радиолокационной станции радиоконтрастных объектов, высоких объектов или при малом отношении сигнал-шум, значения энтропии в окрестности элементов изображений, принадлежащих области радиолокационной тени, например, от возвышенностей рельефа и природных объектов высотой от нескольких метров при маловысотной съемке с беспилотного летательного аппарата, будут максимальны вследствие отсутствия спекл-шума и мощности сигнала, фактически равной мощности шума приемного устройства РСА, по определенным на предыдущем этапе парам опорных точек проводят пространственное совмещение радиолокационных изображений одной и той же области поверхности, например, с использованием корреляционных методов, формируют интерферограмму в координатах «азимут-дальность» путем поэлементного комплексного перемножения двух предварительно согласованных радиолокационных изображений, при этом второе изображение должно быть комплексно-сопряженным, проводят фильтрацию шумов интерферограммы с помощью фильтра, раскрывают фазовую неоднозначность, пересчитывают разности фаз на высоты рельефа, переходят от полетной системы координат к какой-либо картографической и формируют визуальное трехмерное радиолокационное изображение.

Таким образом, по паре модулей синтезированных изображений вычисляют локальную в пределах некоторой окрестности элементов изображений энтропию и по максимумам градиента локальной области вычисленных значений проводят определение пар опорных точек, соответствующих радиолокационной тени, что обеспечит повышение точности оценки высот рельефа при высокой пространственной декорреляции пары сигналов вследствие неустранимых траекторных нестабильностей беспилотного летательного аппарата, а также в случае отсутствия в зоне обзора бортовой радиолокационной станции радиоконтрастных объектов, высоких объектов или при малом отношении сигнал-шум.

Предлагаемый способ практически применим, так как для его реализации могут быть использованы типовые элементы, широко распространенные в областях цифровой обработки изображений, электротехники и электроники.

Реферат

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны, установленной на беспилотном летательном аппарате, для оперативного определения рельефа местности. Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки высот рельефа. Указанный технический результат достигается за счет определения по критерию максимума градиента области локальной энтропии пар опорных точек, соответствующих радиолокационной тени на паре модулей синтезированных двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке участка поверхности с разных ракурсов наблюдения. При этом дополнительно по паре синтезированных двумерных комплексных радиолокационных изображений, полученных при съемке выбранного участка поверхности с разных ракурсов наблюдения, вычисляют градиент области локальной энтропии. И по найденным с помощью пороговой обработки или кластеризации максимумам вычисленных значений проводят определение пар опорных точек для последующего пространственного совмещения по ним изображений корреляционным методом.

Формула