Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время при решении многих научных и практических задач дистанционного зондирования земной поверхности широко применяются наряду с традиционными оптическими и радиофизические метода наблюдений в сверхвысокочастотном диапазоне радиоволн. Миллиметровые волны (ММВ) обладают рядом преимуществ по сравнению с сантиметровыми и оптическими волнами.
Освоение диапазона ММВ для повышения эффективности систем дистанционного зондирования и мониторинга окружающей среды [28, 611, радиолокации [8], радиовидения [32], навигации [22, 27, 28] и радиосвязи потребовало развития исследований взаимодействия этих волн с земными покровами.
Во всем мире, несмотря на сложность, длительность и трудоемкость, проводятся работы по экспериментальным исследованиям рассеяния ММВ земной поверхностью. Результаты экспериментов отличаются в ряде случаев большим разбросом, связанным с различиями в аппаратуре, методиках, и они трудносопоставимы.
Существенной новизной информационного содержания обладают радиолокационные изображения (РЛИ) местности, которые можно интерпретировать как карту удельной эффективной площади рассеяния (ЭПР) о . В общем случае анализ РЛИ требует применения пространственно-временной обработки отраженных электромагнитных волн. В настоящее время теоретически наиболее обоснованы модели рассеяния монохроматических волн на статистически неровной поверхности.
В существующей теории отсутствует учет влияния хаотического покрова на пространственно-временные и пространственно-частотные ха-
- A -
рактеристики немонохроматических полей ММВ в трехмерном случае. Не учтены эффекты частотной декорреляции ММВ, рассеянных неровной поверхностью, что особенно актуально в случае применения сложных сигналов.
Результатом обработки изображений являются.тематические детальные цифровые радиолокационные карты (ДЦРК) местности. Они позволяют представить радиолокационную информацию в виде, удобном для дальнейшего анализа результатов дистанционного зондирования.
Крайне актуальны исследования по синтезу ДЦРК, позволяющие прогнозировать их информативность. В настоящее время методики синтеза радиолокационных карт мало изучены. Они не обеспечены репрезентативным набором данных о статистике удельных ЭПР. Существующие теоретические работы ограничиваются обычно вопросами синтеза гауссовских или равномерно распределенных полей. В то же время плотности вероятностей яркости реальных изображений земной поверхности такими не являются.
Для повышения достоверности интерпретации данных дистанционного зондирования необходимо комплексирование радиолокационных и оптических изображений. Это увеличивает эффективность обнаружения, распознавания и классификации на основе выбора вектора информативных и устойчивых признаков (так называемых сигнатур). Радиолокационные сигнатуры включают в себя временные, спектральные и поляризационные особенности отраженного сигнала. Применение оптических и радиолокационных изображений земной поверхности позволяет дополнить эти традиционные признаки новыми, весьма существенными, позволяющими уменьшить перекрытие сигнатур.
Для изображений характерны признаки, основанные на выделении пространственных частот, применении структурного подхода и измерении
статистических характеристик уровней интенсивности. К последним относятся текстурные признаки, привлекающие к себе самое пристальное внимание. Следует отметить, что этап становления основных понятий и концепций в текстурном анализе и синтезе еще далек от завершения, хотя число публикаций по этому Еопросу непрерывно растет. Однако большинство оригинальных работ носит все-таки локальный характер.
Пространственной организации элементов яркости в пределах некоторого участка изображения земной поверхности можно сопоставить соответствующие изменения о^. Поэтому при исследовании процесса рассеяния радиоволн земными покровами и их последующей идентификацией необходимо проводить совместный анализ обоих указанных аспектов.
В литературе практически нет сведений о таких исследованиях, особенно в диапазоне ММВ, хотя отдельные вопросы и рассмотрены. Продолжительное время работы автора в области исследования РЖ земных покровоЕ в миллиметровом диапазоне радиоволн с использованием текстурной информации фактически были единственными. Необходимость более глубокого и всестороннего изучения данных вопросов определили направленность работ автора. Таким образом, научное и практическое значение решения проблемы, которая рассмотрена в работе, характеризует актуальность исследований, выполненных в диссертации.
Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей рассеяния ММВ земной поверхностью е различной метеорологической обстановке и создание комплексной радиофизической модели формирования радиолокационной карты неоднородней местности на осноье синтеза изображений земных покровов в оптическом и миллиметровом диапазонах волн. Для этого необходимо было ре-юттз- зле rvK'ii'i'^ о.1 оно в ч ко? зичачи;
- "<"O.J'0"3 оал;'С"'300:'!Ч00?0-/К' МОЛЗЛЪ Г'''0?рУ;НИЯ ?г?ОЛУЛг1Г;ОеЗННЫХ О';-
диоволн хаотическим покровом без растительности и на ее основе получить количественные оценки влияния подстилающей поверхности на характеристики сигнала;
провести комплекс долговременных физических исследований отражающих характеристик земных покровов в крайних точках миллиметрового диапазона радиоволн;
исследовать на основе полученных изображений характерных типов земных покровов в оптическом и миллиметровом диапазонах волн ансамбли текстурных и пространственных корреляционно-спектральных признаков с проведением кластеризации в признаковом пространстве для выявления наиболее информативных текстурных признаков;
экспериментально исследовать новый класс признаков, основанный на тонкой структуре отраиенных импульсных сигналов миллиметрового диапазона радиоволн и позволяющий улучшать идентификацию земных покровов;
разработать методики обнаружения детерминированных протяженных объектов и их контуров на реальных оптических и радиолокационных изображениях земной поверхности и провести исследования их потенциальных возможностей при малых отношениях сигнал/фон;
синтезировать оптические и радиолокационные изображения земных покровов с апробированием нескольких алгоритмов совмещения с целью создания комплексной радиофизической модели формирования радиолокационной карты неоднородной местности.
Решение этих задач и составляет содержание диссертации.
Выполненные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования рассеяния миллиметровых радиоволн земными покровами отличаются от предшествующих исследований в этой области следующими защищаемыми положениями, определяющими научную новизну:
-
развитием теоретических представлений о процессе рассеяния радиоволн хаотическим покровом без растительности в трехмерном случае, отличающихся от известных использованием обобщенного пространственно-временного коррелятора полей обратного рассеяния и частотной функции когерентности с учетом корреляции наклонов неровностей [3, 9, 11-13, 16, 17, 31, 39, 41, 44, 56, 611;
-
анализом и интерпретацией новых экспериментальных данных о пространственно-временных характеристиках рассеяния земных покровов на длинах волн 2,2 мм [I, 2, 4-7, 10, 43, 50, 61] и 8,6 мм til, 14, 37, 39, 45, 58, 611 в разнообразных метеоусловиях [35, 48, 611, впервые позволившие автору исследовать законы распределения удельных ЭПР, ширину спектра, времена и интервалы корреляции флуктуации интенсивности ММВ;
-
обоснованием и экспериментальным исследованием нового универсального класса признаков, использующих тонкую структуру отраженных импульсных сигналов ММВ [39, 44, 61, 651;
-
анализом методик формирования РЛИ земной поверхности с помощью простых и сложных фазоманипулированных сигналов большой базы (>Юб) при оценке текстурной информации в них и исследованием вклада пространственно-временного распределения гидрометеорных образований на характеристики изображений в диапазоне миллиметровых радиоволн [24, 29, 31, 46, 54, 57-61, 631;
-
постановкой и решением задач расчета впервые полных ансамблей текстурных и пространственных корреляционно-спектральных признаков изображений реальных земных покровов в оптическом и миллиметровом диапазонах длин волн с целью выделения кластеров для понижения размерности признакового пространства [15, 18-20, 23, 25, 33, 34, 37, 40, 42, 53, 55, 61, 62, 641;
-
разработкой новых методик обнаружения различных детерминированных протяженных объектов и их контуров на реальных оптических и радиолокационных изображениях земной поверхности и исследованиями их потенциальных возможностей при малых отношениях сигнал/фон [21, 36, 47, 49, 51, 55, 611;
-
впервые проведенным решением задачи синтеза оптических и радиолокационных изображений земных покровов с введением этапа преобразования гистограмм яркости при различных порядках корреляционной связи и проверкой адекватности синтезированных и реальных изображений [20, 21, 23, 25, 26, 30, 37, 51, 611;
-
созданием новой обобщенной комплексной радиофизической модели формирования радиолокационной карты неоднородной местности, включающей в себя как методы стохастического авторегрессионного синтеза изображений, так и информацию о поле удельных ЗПР, и позволяющей более полно учитывать пространственно-неоднородные характеристики земной поверхности [37, 61].
Достоверность результатов работы подтверждается тщательностью выполненных исследований, согласием теоретических и экспериментальных результатов с данными, известными из литературы по этому вопросу. Работы по основным разделам диссертации неоднократно цитировались как в отечественной, так и в зарубежной научной печати.
Научная значимость и практическая ценность работы заключается в следующем.
I. Предложенная модель рассеяния радиоволн хаотическим покровом без растительности с использованием обобщенного пространственно-временного коррелятора позволила, во-первых, провести анализ частотной функции когерентности в трехмерном случае с учетом диаграмма направленности антенны и полосы когерентности радиолокационного
канала дистанционного зондирования; г :->:о;::::;, определить потенциальную точность оценок высоты полета ;:01',тлъного аппарата и характерных размеров неровностей. Полученные соотношения позволяют конкретизировать интегральные выражения обобщенных функций неопределенности, ядром которых является частотная функция когерентности.
-
Изучены и обобщены на основе обширного экспериментального материала удельные ЭПР земной поверхности и их вариации, радиолокационные контрасты, законы распределения удельных ЭПР, ширина спектра, времена и интервалы корреляции флуктуации интенсивности ММВ.
-
Получены новые данные о структуре импульсных сигналов миллиметрового диапазона волн, отраженных земной поверхностью. Установлено, что при условии выделения средней формы импульса можно сформировать на основе выборки стационарных внутриимпульсных амплитудных флуктуации новый универсальный класс признаков, использующих тонкую структуру сигнала.
-
Определены ансамбли текстурных и пространственных корреляционно-спектральных признаков изображений реальных земных покровов в оптическом и миллиметровом диапазонах длин волн с последующей кластеризацией для понижения размерности признакового пространства.
-
Предложены и разработаны методики обнаружения различных детерминированных протяженных объектов и их контуров на реальных оптических и радиолокационных изображениях эемной поверхности при малых отношениях сигнал/фон.
-
Предложена и разработана обобщенная комплексная радиофизическая модель формирования радиолокационной карты неоднородной местности. Все блоки модели были проверены по имеющимся экспериментальным данным, что позволило синтезировать контурные и полутоновые на длине волны 8,6 мм карты района проведения экспериментов.
Полученные в работе результаты необходимы при проектировании радиосистем различного назначения для оценок точности и надежности их работы, определения оптимальных характеристик, дальности действия и т.п. Эти результаты могут использоваться также при дистанционных радиофизических исследованиях окружающей среды активными методами. Помимо указанных выше приложений обширный экспериментальный массив (банк) данных полезен для получения эмпирических закономерностей и подробного сопоставления с существующими теориями прямых и обратных задач.
Реализация результатов работы заключается в передаче заинтересованным организациям на базе научных решений конкретных методик и разработанных методов. Эти результаты нашли применение в ряде организаций промышленности. Имеются четыре акта о внедрении результатов, полученных в диссертационной работе, в ЛНИРТИ, КБТМ, НПО "Алмаз", НИИИС.
Апробация результатов. Основные результаты исследований, изложенные в диссертащш, докладывались на Ш (Горький, 1980) [I] и IV (Харьков, 1984) Всесоюзных симпозиумах по миллиметровым и субмиллиметровым волнам, на XIV (Ленинград, 1984) [?], XV (Алма-Ата, 1987), XVI (Харьков, 1990) [45] и ХУЛ (Ульяновск, 1993) [ 631 Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, на I (Москва, 1982) [4], П (Фрунзе, 1986) [12], Ш (Харьков, 1989) [351 и IV (Нижний Новгород, 1991) [52, 53] Всесоюзных школах-симпозиумах по распространению миллиметровых и субмиллотетровых волн в атмосфере, на П Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие теории и техники сложных сигналов" (Севастополь, 1983) [3], на IX (Киев, 1985) [9], X (Львов, 1988) 120, 21] Всесоюзных и Международной (Киев, 1992) [56, 57] научно-технических конференциях "Статистические методы в теории пере-
- II -
дачи и преобразования информационных сигналов", на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств" (Харьков, 1986) ПО], на Всесоюзной конференции "Статистические методы обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды" (Рига, 1'В6) [14], на Региональной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования - ОВДИ-87" (Новосибирск, 1987) [15], на Ш Всесоюзной конференции "Методы и средства обработки сложной графической информации" (Горький, 1988) [19], на I (Переславль-Залесский, 1988) [23] и П (Минск, 1990) Всесоюзных конференциях по искусственному интеллекту, на XI Всесоюзном научно-техническом семинаре секции "Теория информации" ЦП ВНТО РЭС имени А.С.Попова "Статистический синтез и анализ информационных систем" (Ульяновск, 1989) [29], на П Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и техника пространственно-временной обработки сигналов (Свердловск, 1989) [30, 31], на IV Всесоюзной конференции "Математические методы распознавания образов" (Рига, 1989) [36, 371, на I (Ереван, 1990) [41J и И (Муром, 1992) [60] Всесоюзных конференциях "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды", на Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости (Улан-Удэ, 1990) [43], на X Юбилейном Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн "Волны и дифракция-90" (Винница, 1990) [44], на Всесоюзной конференции "Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов" (Барнаул, 1990) [461, на I Всесоюзной конференции "Физика и конверсия" (Калининград, 1991) [51], на П Республиканском семинаре "Проблемы создания систем обработки, анализа и распознавания изображений" (Ташкент, 1989) [33, 34], на Научно-технической конференцій "Биомедицинское и экологическое приборостроение: наука,
промышленность, рілю::" (і:'.:;:ль, 1932) 150], на Научно-техническом сек-шаре "Распрсо гранен: ї :: х:-:фрэкц::л электроашгнитных волн в неоднородных средах" (С?,Х;„ч'Ліеч, 1992) [591, на X Выездном научно-техническом сеікинарз секіх:' ''Іеорня информации" ЦП НТОРЭС им.А.С.Попова на тему "Актуальные проблемы статистического синтеза и анализа информационных систем и их роль в ускорении научно-технического прогресса" (Ленинград, 1987) [16], на Международном симпозиуме по электромагнитной теории (Будапешт, 1988) [13], на X, ХП и XIV Московских городских научно-технических конференциях, посвященных Дню радио (Москва, 1984, 1936, 1988) [5, 6, 17, 18], на Научно-технической конференции "Формирование сложных сигналов" (Суздаль, 1988) [24], на семинарах отдела распространения радиоволн им.академика Б.А.Введенско-го и семинарах "Исследование окружающей среды радиофизическими методам'/' ИРЭ РАН, на научно-исследовательском семинаре секции "Информатика" Научного совета РАН по комплексной проблеме "Кибернетика". Основные результаты по теме диссертации опубликованы автором в 63 статьях и трудах симпозиумов и конференций, а также в 1 препринте [25] и в одной журнальной монографии из 7 выпусков [61], и приведены в диссертации отдельным списком е хронологическом порядке [1-651. Все работы выполнены и опубликованы с 1980 по 1994 гг.
Диссертация состоит из введения, 9 глав, 40 подразделоЕ, заключения, двух списков литературы (авторской и цитируемой), 4 приложений и содержит 255 страниц текста, 41 таблицу на 48 страницах, 103 рисунка на 101 странице, список цитируемой литературы из 348 наименований на 25 страницах и авторский - на 7 страницах. Общий объем работы - 436 страниц.
На запиту выносятся елелущив основные результаты исследований автора.
- ІЗ -
-
Разработанная с использованием обобщенного пространственно-временного коррелятора и частотной функции когерентности физическая модель, описывающая рассеяние радиоволн хаотическим покровом с крупномасштабными неровностями. Модель дает возможность аналитической оценки частотной функции когерентности с учетом диаграммы направленности антенны, полосы когерентности радиолокационного канала дистанционного зондирования, характеристик отраженных сигналов, обобщенных функций неопределенности, потенциальной точности определения высоты полета летательного аппарата и характерных размеров неровностей.
-
Банк данных, содержащих пространственно-временные характеристики рассеяния земных покровоЕ, законы распределения удельных ЭПР, энергетические спектры и функции корреляции флуктуации интенсивности ММВ с учетом их сезонных и угловых вариаций, созданный путем анализа и обработки результатов экспериментальных исследований на длинах волн 2,2 и 8,6 мм, и позволяющий учитывать географические особенности местности при проектировании разнообразных систем формирования изображений.
-
Разработанный по результатам экспериментов ноеый универсальный класс признаков на основе тонкой структуры рассеянных, земное поверхностью импульсных сигналов ЖВ. Алгоритм определения признаков включает в себя статистическую обработку стационарных внутрикм-пульсннх амплитудных флуктуации и сравнительно просто реализуется на практике. Совместное использование таких признаков и радиолокационного контраста снижает вероятность ошибки распознаванля темных
ПОКрОЕОВ.
4. ?а?ыугие методов анализа пространственной сзруліурк kovh-
ііекгированннл уїзобрчу.ений :-^»/.н''Д Ч'.черхкости с кчгауссовско?. с.'-: ;;-
стикой в оптическом и миллиметровом диапазонах волн, состоящее в количественной оценке полных ансамблей текстурных и пространственных корреляционно-спектральных признаков, в кластеризации и выявлении наиболее информативных признаков, в разработке новых методик обнаружения различных детерминированных протяженных объектов и их контуров при малых отношениях сигнал/фон. Одномерные области существования текстурных признаков РЛИ почти полностью вкладываются в соответствующие области признаков оптических изображений. Это позволяет прогнозировать текстурные признаки изображений в диапазоне ММВ по оптическим изображениям.
5. Обобщенная комплексная радиофизическая модель формирования радиолокационной карты неоднородной местности, включающая в себя как методы стохастического авторегрессионного синтеза изображений, так и информацию о поле удельных ЭПР земных покровов.
Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертации положений представляет собой основу нового развивающегося направления радиофизических исследований - изучение физических основ рассеяния радиоволн земной поверхностью с учетом ее пространственно-неоднородных характеристик.
Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, в формулировке и постановке задач, в проведении теоретических исследований и расчетов, в участии при создании ряда измерительных комплексов, в разработке методик и программ экспериментов, в руководстве и непосредственном участии в измерениях в натурных и лабораторных условиях, в обработке полученных данных и их последующей интерпретации, а также в создании обобщенной комплексной радиофизической модели формирования радиолокационной карты неоднородной местности.
Часть исследований рассеяния ММВ земными покровами была выполнена с помощью комплексов измерительной аппаратуры, разработанных специалистами из ЦНИИАГ, НПО "Алмаз", ЦНИИХМ, принимавшими непосредственное участие в экспериментах.
