Покращання якості обробки спеклу в когерентних радіолокаційних системах побудови зображень - Автореферат

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наукСучасний рівень обчислювальних засобів дає можливість використати природну потенційно високу інформативність ехо-сигналів, що розкриває нові перспективи у створенні нових методів обробки РЛ інформації та високоефективних радіолокаційних систем (РЛС). Незважаючи на те, що технічні засоби забезпечують високу роздільну здатність, високу чутливість та хороші енергетичні показники в когерентних РЛС побудови зображень, особливості фізичних принципів формування розсіяного ехо-сигналу не дозволяють отримати високоякісні РЛЗ. Вважається, що спекл є РЛ зображенням, сформованим внаслідок когерентної обробки, та містить корисну інформацію, характерно спотворену завадами. Відомі методи обробки сигналів в РЛС, зокрема методи, що ґрунтуються на принципах погодженої просторово-часової обробки, не дозволяють уникнути спекл-структури на отриманих РЛЗ. На основі властивостей wavelet перетворення зображень запропоновано нову апріорну модель зображень, яка дозволяє створювати робастні методи їх обробки.У першому розділі “Аналіз моделей опису спекл-структури та методів обробки радіолокаційних зображень” здійснено аналіз методів та підходів, що використовуються при обробці РЛЗ з спекл-структурою, а також систематизовано відомі моделі опису спеклу. На основі встановлення відповідності принципу функціонування кожного з методів обробки використаній в ньому моделі спеклу охарактеризовано переваги та недоліки кожного з методів. Обгрунтовано необхідність удосконалення моделей спеклу на основі детального вивчення фізичних принципів формування когерентних РЛЗ, а розробку процедур статистичного оцінювання корисної інформації у спеклі, що використовують властивості ортогонального базису wavelet, визначено як один з перспективних напрямів створення ефективних методів та принципів побудови пристроїв обробки спеклу. У другому розділі “Модель процесу формування радіолокаційних зображень на основі детермінованого підходу” проведено числове моделювання процесів розсіювання на обєктах та проаналізовано структуру прийнятого сигналу. Вибраний тип поляризації та забезпечення граничної умови на поверхні обєкта у точках між нитками з струмом jct(y,z) дають можливість укласти систему рівнянь для розрахунку розподілу струмів ниток моделі, а відповідно і поля дифракції.На основі запропонованої моделі (6) та аналітичного знаходження границі Рао-Крамера виявлено потенційну нестійкість методів оцінювання корисних параметрів спеклу, які базуються на принципі максимуму правдоподібності (МП) та не використовують апріорну інформацію про шукані величини. Визначений ступінь гладкості та особливості ортогонального базису wavelet функцій використано для подання апріорних даних про зображення. Експериментально показано, що розподіл коефіцієнтів a розкладу у wavelet базисі реальних зображень добре описується законом розподілу Стюдента: ,(8) де s - енергетичний показник, m - характеризує кількість ступенів свободи. В відомих статистичних підходах розвязку задач обробки зображень різнороздільним методом найчастіше користуються узагальнено-гаусівською апріорною моделлю, яка, як і інші відомі моделі, є наближеною, а їх використання повязано зі значними труднощами при аналітичному визначенні алгоритмів статистичної оцінки. У випадку, коли закон розподілу випадкової величини x заданий інтегральною функцією розподілу Fx(X), відоме правило нелінійного перетворення Y=T(X) випадкової величини x можна записати у вигляді: Fx(X)=Fy(Y),(9) де Fy(Y) - інтегральна функція розподілу випадкової величини y на виході нелінійного елементу з характеристикою Y=T(X).В дисертаційній роботі розвинуто ряд теоретичних положень, повязаних з описом процесів формування РЛЗ та їх трактуванням, запропоновано новий підхід до статистичної обробки сигналів і зображень в когерентних РЛС з високою роздільною здатністю, на основі якого розроблено метод обробки спеклу та вироблено рекомендації до створення РЛС побудови зображень. Розвинуті положення базуються на строгих підходах до розвязку задач детермінованого та статистичного опису процесів розсіювання, а запропонована обробка спеклу полягає у статистичному оцінюванні з використанням апріорної інформації, що забезпечує суттєве покращання якості обробки. Запропонована модель дає можливість вирішувати статистичну задачу синтезу методів обробки сигналів та зображень з уврахуванням спотворюючого впливу тракту формування РЛЗ при наявності різних випадкових факторів процесу сканування. Запропоновано використовувати закон розподілу Стюдента як нову статистичну модель розподілу коефіцієнтів wavelet розкладу зображень, що характеризуються високою гладкістю, дозволяючи створювати робастні статистичні методи обробки зображень. Запропоновано новий метод усунення адитивної гаусівської випадкової складової на зображеннях, який полягає у статистичному оцінюванні шляхом нелінійної обробки на основі аналітичного розвязку рівняння MAP для коефіцієнтів wavelet розкладу зображення.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

В дисертаційній роботі розвинуто ряд теоретичних положень, повязаних з описом процесів формування РЛЗ та їх трактуванням, запропоновано новий підхід до статистичної обробки сигналів і зображень в когерентних РЛС з високою роздільною здатністю, на основі якого розроблено метод обробки спеклу та вироблено рекомендації до створення РЛС побудови зображень. Розвинуті положення базуються на строгих підходах до розвязку задач детермінованого та статистичного опису процесів розсіювання, а запропонована обробка спеклу полягає у статистичному оцінюванні з використанням апріорної інформації, що забезпечує суттєве покращання якості обробки. Нижче перераховані основні результати, отримані в роботі: 1. Виявлено, що існуючі моделі спеклу мало адекватні фізичним процесам виникнення спекл-ефекту при РЛ зондуванні, а їх використання обмежує потенційно досяжну ефективність функціонування методів обробки спеклу, більшість з яких функціонують за непараметричним принципом і не враховують особливостей візуального сприйняття. На цій підставі визнано актуальними задачі створення моделі спеклу, що адекватна природі виникнення спекл-ефекту та розробки принципів оптимальної статистичної обробки РЛЗ з спекл-структурою.

2. На основі числового розвязку задачі дифракції, що розвязано вперше для випадку просторово-неоднорідних хвиль, удосконалено статистичну модель процесу розсіювання на обєктах при опромінюванні, яке забезпечує високу роздільну здатність РЛС. Числове дослідження таких процесів розсіювання та процесів формування РЛ поперечних портретів обєктів з простою геометричною формою дозволило пояснити природу виникнення спеклу та встановити характер його інформаційної місткості.

3. Розроблено нову статистичну модель спеклу, яка охоплює райсівський та нерайсівський характер випадкових процесів і подана у формі функції правдоподібності інформативних параметрів РЛЗ. Запропонована модель дає можливість вирішувати статистичну задачу синтезу методів обробки сигналів та зображень з уврахуванням спотворюючого впливу тракту формування РЛЗ при наявності різних випадкових факторів процесу сканування.

4. Запропоновано використовувати закон розподілу Стюдента як нову статистичну модель розподілу коефіцієнтів wavelet розкладу зображень, що характеризуються високою гладкістю, дозволяючи створювати робастні статистичні методи обробки зображень. Числова порівняльна оцінка адекватності моделі зображенням за критерієм погодження Пірсона показує, що запропонована модель є кращою, ніж відомі, не менше ніж у 1,5 раза.

5. Запропоновано новий метод усунення адитивної гаусівської випадкової складової на зображеннях, який полягає у статистичному оцінюванні шляхом нелінійної обробки на основі аналітичного розвязку рівняння MAP для коефіцієнтів wavelet розкладу зображення. Статистично строгий підхід до синтезу методу дозволив забезпечити ефективність його функціонування щодо якості знешумлення (на 1,3% краще за відомі) при суттєвому покращанні швидкодії (більше ніж у 17 разів). Запропонований метод використано при усуненні випадкової нестаціонарної нормалізованої складової спеклу та рекомендовано використовувати в схемах обробки зашумлених зображень.

6. Запропонована модель спеклу у формі інтегральної функції розподілу дозволила статистично розвязати задачу формування функцій нелінійної обробки з метою нормалізації закону розподілу спекл-структури для випадків, що характеризуються райсівською та нерайсівською статистиками. Показано, що отримані функції суттєво відрізняються від функції логарифмування, яка традиційно використовується для гомоморфної обробки спеклу. Такий підхід до формування функцій нелінійної обробки використано при реалізації алгоритму локально-гомоморфного перетворення РЛЗ.

7. Розроблено підхід до виділення корисної інформації з спеклу на основі нелінійної обробки локальних ділянок РЛЗ та послідовного статистичного наближення. Підхід дозволяє забезпечити візуальну сприйнятність виділеної інформації з спеклу завдяки застосуванню запропонованого методу статистичного оцінювання за принципом MAP та використанню апріорної інформації про зображення. Ефективність функціонування розробленого методу (за критерієм якості більше ніж на 18% у порівнянні з відомими) підтверджена на тестових та реальних РЛЗ.

8. Згідно з результатами, отриманими в дисертаційній роботі, вироблено рекомендації щодо вибору структури РЛС побудови зображень і методів когерентної та некогерентної обробки сигналів в таких системах. На основі розробленого підходу до обробки запропоновано структуру схеми обробки зображень, яка забезпечує виділення корисної інформації з спеклу.

Отримані в роботі результати та запропоновані підходи, що використано для покращання якості обробки спеклу, можуть бути також застосовані до розвязку інших задач високороздільної радіолокації та обробки сигналів і зображень різної природи. радіолокаційний сигнал спекл зображення

1. Прудиус І.Н., Захарія Й.А., Синявський А.Т. Дифракція просторово-неоднорідної хвилі в задачі формування радіолокаційних зображень // Технічна електродинаміка: Науково-прикладний журнал Інституту електродинаміки НАН України. - 2000. - № 4. - C. 14-18.

2. Прудиус І.Н., Синявський А.Т., Остап В.П. Формування зображень в активних радіолокаційних системах з синтезованою апертурою // Теоретична електротехніка: Збірник наукових праць Львівського національного університету ім. Івана Франка. -2000. - Вип. 55. - C. 43-48.

3. Клепфер Є.І., Прудиус І.Н., Синявський А.Т. Підвищення якості зображень в радіолокаційних системах з синтезованою апертурою // Електроніка: Вісник Державного університету "Львівська політехніка". - 2000. - № 397. - С. 42-49.

4. Прудиус І.Н., Синявський А.Т. Мінімаксне оцінювання різнороздільним методом при знешумленні радіолокаційних зображень // Радіоелектроніка та телекомунікації: Вісник Державного університету "Львівська політехніка". - 1999. - № 367. - С. 61-70.

5. Прудиус І.Н., Сумик М.М., Синявський А.Т. Дослідження стійкості узгодженої обробки багатофазних сигналів до доплерівських зсувів частоти // Відбір і обробка інформації: Міжвідомчий збірник наукових праць Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України. - 2000. - № 14(90). - C. 73-77.

6. Синявський А.Т., Сумик М.М. Розробка методики дослідження та оцінки параметрів просторових функцій невизначеності // Матеріали 4-ї Міжн. науково-техн. конф. "Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки" (CADSM’97).-ч.2.-Львів: ДУ"ЛП". -1997.-C.162-163.

7. Синявський А.Т. Особливості використання різнороздільного аналізу в обробці просторових сигналів // Матеріали Міжн. науково-техн. конф. "Сучасні проблеми засобів телекомунікації, компютерної інженерії та підготовки спеціалістів" (TCSET’98). - Львів: ДУ"ЛП". - 1998. - С. 115-116.

8. Прудиус І.Н., Сумик М.М., Синявський А.Т., Остап В.П. Моделювання радіолокаційних систем побудови зображень з синтезуванням апертури // Матеріали 5-ї Міжн. науково-техн. конф. "Досвід розробки та застосування САПР в мікроелектроніці" (CADSM’99).- Львів: ДУ"ЛП".- 1999.- С. 107-108.

9. Прудиус І.Н., Синявський А.Т. Використання різнороздільного аналізу для обезшумлення радіолокаційних зображень // Матеріали 5-ї Міжн. науково-техн. конф. "Досвід розробки та застосування САПР в мікроелектроніці" (CADSM’99). - Львів: ДУ"ЛП". - 1999. - С. 119-120.

10. Юзевич Ю.В., Остап О.П., Синявський А.Т. Використання ортогональних перетворень для компресії мовних сигналів // Збірник праць 4-ї Міжн. науково-техн. конф. з телекомунікацій (ТЕЛЕКОМ"99).-Одеса: УГАС. -1999. -С.444-446.

11. Прудиус І.Н., Сумик М.М., Синявський А.Т. Забезпечення ефективного виявлення багатофазних сигналів погодженою обробкою при розузгодженні за частотою // Збірник праць 4-ї Міжн. науково-техн. конф. з телекомунікацій (ТЕЛЕКОМ"99). - Одеса: УГАС. - 1999. - С. 235-238.

12. Прудиус І.Н., Синявський А.Т., Остап В.П. Моделювання процесу формування радіолокаційних зображень в системах з синтезованою апертурою // Матеріали 3-ї Міжн. науково-техн. конф. "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці" (ММЕЛЕКТРО"99). - Львів: ДУ"ЛП". - 1999. - С. 221-222.

13. Прудиус І.Н., Захарія Й.А., Синявський А.Т. Моделювання процесу розсіювання на обєктах при частковому їх опроміненні // Матеріали 3-ї Міжн. науково-техн. конф. "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці" (ММЕЛЕКТРО"99).-Львів: ДУ"ЛП".-1999.-С.219-220.

14. Prudyus I.N., Zakharia Y.A., Sumyk M.M., Synyavskyy A.T. Stochastic features of speckled radar images with high spatial resolution // Proc. of Intern. Conf. on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineers Training (TCSET’2000). - Lviv: LPSU. - 2000. - P. 157-158.

15. Sumyk M.M., Synyavskyy A.T., Ostap V.P. The approach for SAR images restoration based on linear shift-variant model of the process formation // Proc. of Intern. Conf. on Modern Problems of Telecommunications, Computer Science and Engineers Training (TCSET’2000). - Lviv: LPSU. - 2000. - P. 32.

16. Prudyus I.N., Synyavskyy A.T. Usage of Wavelet transform for statistic prior presentation in image processing problems // Proc. of Intern. Conf. "The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics" (CADSM’2001). - Lviv: LPNU. - 2001. - P. 88-89.

17. Prudyus I.N., Synyavskyy A.T. Echo envelope distribution in high resolution radar imaging system // Proc. of Intern. Conf. "The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics" (CADSM’2001). - Lviv: LPNU. - 2001. - P. 58-59.

Размещено на .ru