Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут"

ЛУКІН Володимир Васильович

УДК 621.39:681.14

ЛОКАЛЬНО-АДАПТИВНА СТІЙКА

ФІЛЬТРАЦІЯ СИГНАЛІВ І ЗОБРАЖЕНЬ У БАГАТОКАНАЛЬНИХ

СИСТЕМАХ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ

05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ХАРКІВ-2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті

ім. М.Є.Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Зеленський Олександр Олексійович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є.Жуковського “ХАІ”, завідувач кафедри

прийому, передачі та обробки сигналів

Офіційні опоненти: Пискорж Володимир Вікторович, доктор технічних наук, професор, головний конструктор за напрямком АО "Науково-дослідний інститут радіовимірювань" (м. Харків)

Шокало Володимир Михайлович, доктор технічних наук, професор, директор Інституту радіотехніки та електроніки, завідувач кафедри теоретичних основ радіотехніки Харківського Національного технічного університету радіоелектроніки (м. Харків)

Карпенко Володимир Іванович, доктор технічних наук, професор, заступник начальника Харківського військового університету з наукової роботи (м. Харків)

Провідна установа - Інститут радіофізики і електроніки НАН України (м. Харків),

відділ статистичної радіофізики

Захист відбудеться 29.11.2002 року о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070,

м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розіслано 10.10.2002 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Д. Абрамов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Незалежна Україна вступає в третє тисячоліття космічною державою, що має власні програми, зокрема, пов’язані з супутниками “Ciч”, і приймає участь у інтернаціональних проектах, наприклад, “Морський старт”. Успішно розвивається й аерокосмічний комплекс країни та програми, що спрямовані на розробку нових авіаційних засобів, що можуть виконувати різноманітні функції. Це створює передумови для розробки нових та модернізації існуючих засобів аерокосмічних досліджень, що встановлюються на аерокосмічних носіях та включають до свого складу системи дистанційного зондування (ДЗ), у тому числі радіолокаційні. Розвиток комплексів ДЗ аерокосмічного базування активно стимулюється потребами народного господарства, серед яких найважливішими є екологічний моніторинг, завбачення можливих катастроф і т.і.

Типовою ознакою сучасного етапу розвитку радіотехнічних та інформаційно-вимірювальних систем (РТС та ІВС) аерокосмічного базування, зокрема, багатоканальних комплексів ДЗ, що виконують формування зображень ділянок місцевості у різних діапазонах електромагнітних хвиль, з різними поляризаціями сигналів або під різними кутами візування, є розширення їх функціональних можливостей, швидке впровадження нових інформаційних технологій та методів обробки сигналів та багатовимірних масивів даних (зображень), прагнення оперативно видобувати інформацію та виконувати вимірювання параметрів із задовільними апаратурними та обчислювальними витратами. Незважаючи на певні успіхи у зазначеній галузі авіаційно-космічної науки та техніки, є й багато невирішених проблем, серед яких однією з найважливіших є забезпечення високих характеристик точності РТС ДЗ, їх працездатності та достовірності інформації, що отримується, в умовах обмежених апріорних відомостей про характеристики завад, каналу розповсюдження коливань, властивості сигналів, що відбиваються або випромінюються об’єктом.

Спроби досягти в таких ситуаціях задовільних результатів на основі використання класичних лінійних методів статистичної обробки сигналів, що їх фундамент закладено вітчизняними вченими С.Є. Фальковичем, Я.Д. Ширманом, Е.М. Хомяко-вим та іншими, пов’язані з багатьма складнощами, бо ці методи призводять до успішного вирішення задач для наступного кола умов: досить великих співвідношень сигнал-завада, справедливості припущень щодо гаусівського характеру завад та викривлень, їх просторової та часової стаціонарності, формалізуємості постанови задачі з використанням під час синтезу, як правило, лише одного або невеликої кількості критеріїв ефективності методів обробки сигналів і оцінок параметрів.

Але на практиці деякі з цих умов не виконуються. Так, співвідношення сигнал-завада часто є невеликими внаслідок замалих відбиваючих властивостей об’єк-тів або низького рівня сигналу, що випромінюється самим джерелом, великих дальностей до об'єктів, тощо. Припущення щодо нормальності реальних завад та викривлень також є ідеалізацією - щільність розподілу ймовірності (ЩРЙ) завад часто характеризується більш важкими хвостами, несиметричністю ЩРЙ відносно математичного очікування (МО). Це, наприклад, є типовим для мультиплікативних завад у зображеннях, які формуються радіолокаторами з синтезованою апертурою (РСА), за умов присутності імпульсних завад на зображеннях або аномальних викидів у вибірках даних. Додаткові складнощі вносять викривлення, що обумовлені середовищем розповсюдження та помилками кодування-декодування під час передачі інформаційних даних. Нарешті, завади, число джерел яких постійно зростає, не характеризуються просторовою або тривалою часовою стаціонарністю. Для радіолокаційних зображень (РЛЗ) типовим є переважний вплив інтенсивних мультиплікативних завад, але часто доводиться враховувати й інші компоненти - у найпростішій класифікації адитивну та імпульсну.

Для випадку обробки даних ДЗ складною також є формалізація задач, що вирішуються, обґрунтування правомірності використання лише одного, глобального критерію ефективності обробки даних. Так, під час фільтрації зображень важливо й придушити флуктуаційні завади, й зберегти та локалізувати межі, й вирішити зво-ротні задачі видобування інформації про характеристики об’єктів, що зондуються, й розпізнати їх з максимальною надійністю. Ці вимоги є взаємно суперечливими й задовольнити їх у рамках лінійних неадаптивних підходів практично неможливо, до того ж, часто бажано забезпечити високу якість візуального сприйняття та високу швидкодію алгоритмів обробки даних. Остання вимога пов’язана також з тим, що на даний час цифрова обробка сигналів фактично стала головним інструментом вирішення задач, які зазначено вище, завдяки можливості в її рамках реалізувати широкий спектр досить складних, у тому числі нелінійних, методів.

У зв’язку з вищезгаданим стає явною актуальність розв’язання проблеми вдосконалення методів формування та вторинної обробки зображень, розробки та застосування нових підходів, зокрема, тих з них, які базуються на багатоетапних, нелінійних, стійких (робасних) та адаптивних методах фільтрації багатоканальних зображень та інформаційних даних саме у комплексах ДЗ. По ряду з цих та суміжних напрямків існують певні проробки та отримано фундаментальні результати. Так, теорію лінійної адаптивної фільтрації розвинуто у працях Р.Л. Стратоновича, Б. Уід-роу, С. Хайкіна та інших. Нелінійні неадаптивні й адаптивні методи обробки зображень досліджено І. Пітасом і А.Н. Венецанопулосом, У.К. Преттом, Т.С. Хуангом, Я. Астолой, вітчизняними вченими Ю.В. Шкварко, В.І. Пономарьовим, Б.П. Руси-ним, Р. Паленичкою. Великий внесок у розвиток теорії стійких методів обробки даних зробили Дж.П. Хьюбер, Р. Хогг, українські вчені Е.А. Корнільєв та І.Г. Про-копенко. Втім, доцільним є об’єднання та урахування знань, що накопичено в згаданих галузях, та розробка нових методів із застосуванням саме до багатоканальних даних ДЗ. Практична необхідність розробки відповідних методів додатково диктувалася проблемами, які виникали під час обробки реальних РЛЗ, що формувалися комплексами ДЗ, у ході співробітництва з ІРЕ НАНУ та НДІРВ (м. Харків).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дослідження було проведено автором у рамках госпдоговірних НДР “Магун-УО”, “Мачта-УА”, “Малкан-УА”, “Маїс-УА”, що виконувались за замовленням Секції Прикладних Проблем МО України, фундаментальних держбюджетних НДР за замовленням Міністерства Освіти України, НДР “Заділ”, НДР за замовленням ДКНТ України в рамках державної програми “Природа” та інших.

Метою дисертаційної роботи є вирішення зазначеної актуальної проблеми узагальнення та створення науково-методологічних основ теорії та практики високоефективної обробки багатовимірних просторово-часових сигналів, полів та зобра-жень у РТС, IВС і комплексах аерокосмічного ДЗ шляхом розробки теорії локально-адаптивної стійкої фільтрації та багатоетапних процедур формування та обробки зо-бражень і процесів, які спотворено в результаті впливу комплексних завад і викривлень за умов обмежених апріорних відомостей про характеристики цих факторів.

Вирішенням цієї проблеми є запропонований автором підхід, який полягає в розробці та широкому використанні принципів локальної адаптації та багатоетапності виконання обробки під час формування, фільтрації та інтерпретації багатоканальних зображень та сигналів з розпаралеленням функцій відповідних блоків та забезпеченням завадостійкості (робасності) методів завдяки їх нелінійності.

Принцип локальної адаптації полягає в тому, що для кожного ковзного вікна виконується локальне розпізнавання даних і на основі його результату виконується локальна обробка із застосуванням фільтру, який найкращим чином вирішує задачі, що є приоритетними для околу даного відліку. При цьому завдяки використанню блочної організації та структурно-параметричній оптимізації параметрів блоків ло-кально-адаптивний фільтр виконує обробку даних з ефективністю, що наближується до граничної, в результаті чого досягаються високі показники якості його функціонування відповідно як до інтегральних, так і до локальних критеріїв.

Під час багатоетапної обробки на кожному з етапів успішно вирішується одна або декілька окремих задач, що створює необхідні передумови для ефективної роботи блоків на наступних етапах, завдяки чому також забезпечуються високі характеристики точності та надійності процедури у цілому.

У відповідності із зазначеною проблемою та поставленою метою в дисертаційній роботі сформульовано та вирішувались наступні задачі:

- обґрунтування та розробка моделі одновимірних, двовимірних і багатовимірних інформаційних сигналів і зображень з урахуванням впливу складних (негаусівських, нестаціонарних) завад, що включають адитивну, мультиплікативну й імпульсну складові, а також інших деструктивних факторів, що є типовими для РТС ДЗ;

- підвищення якості зображень, що формуються, на основі синтезу нових
(східцевих, згорткових та сумарних) вагових вікон (ВВ) і аподизуючих функцій (АФ) та оптимізація параметрів відповідних діаграм спрямованості (ДС) для еквідистантних антенних ґраток (АГ) систем формування зображень (СФЗ) та багатоелементних антен з урахуванням конструктивно-технологічних обмежень; порівняльний аналіз головних параметрів синтезованих ДС з відповідними характеристиками ДС для оптимальних ВВ Дольфа-Чебишева (ДЧ) і Кайзера-Бесселя (КБ); дослідження стійкості статистичних характеристик ДC до впливу завад та викривлень;

- дослідження можливості застосування ВВ і розробка алгоритмів компенсації фазових викривлень під час формування стрічних зображень у РСА та під час зовнішньої калібровки багатоканальних радіолокаційних систем ДЗ;

- розробка теорії двовимірних локально-адаптивних фільтрів (ЛАФ) з жорстким переключенням, дослідження методів покращення характеристик та оптимізація параметрів головних блоків таких ЛАФ: придушуючого шуми фільтру (ПШФ), зберігаючого деталі фільтру (ЗДФ), показника локальної активності (ПЛА), значень порогів; розробка локально-адаптивних та ітеративних процедур відновлення зображень за умови наявності ефектів дефокусування та впливу складних завад;

- дослідження та розробка методів підвищення надійності первинного локального розпізнавання у ковзному вікні на основі сумісної обробки кількох ПЛА з метою виявлення найбільш вірогідної гіпотези, розробка відповідних методів та пристроїв на основі нейромереж (НМ) і експертних систем (EС), вдосконалення алго-ритмів локально-адаптивної фільтрації зображень за умов впливу складних завад;

- апробація методів нелінійної корекції та суміщення багатоканальних РЛЗ, аналіз їх точності, розробка методів поетапної обробки даних багатоканального ДЗ;

- розробка нових методів векторної фільтрації багатоканальних РЛЗ і кольорових зображень для усунення залишкових похибок суміщення та завад складного типу, у тому числі мультиплікативних та імпульсних; проведення порівняльного аналізу методів компонентної та векторної фільтрації;

- розробка та апробація методики (послідовності операцій) інтерпретації даних багатоканального ДЗ на основі використанням НМ для вторинного розпізнавання, класифікації та вимірювання параметрів об’єктів, що зондуються, з використанням адекватних радіофізичних моделей;

- аналіз причин нестаціонарності та статистичних характеристик похибок вимірювань в ІВС, в тому числі в радіолокаційних та гідроакустичних системах (ГАС) дистанційного визначення параметрів об'єктів, в умовах впливу складних завад, неідеальності середовища розповсюдження коливань, протяжності та руху об'єктів;

- дослідження та розробка адаптивних, стійких методів та швидкодіючих цифрових алгоритмів підвищення точності оцінок параметрів в умовах наявності аномальних похибок первинних вимірювань і зміни у часі дисперсії нормальних оцінок;

- апробація розроблених методів і алгоритмів на реальних даних.

Об’єкт дослідження – сигнали та зображення, що реєструються та формуються у багатоканальних системах ДЗ та інших типах РТС та ІВС.

Предмет дослідження – методи покращення якості зображень, надійності їх ін-терпретації та підвищення точності вимірювань на основі розробки та застосування локально-адаптивних стійких фільтрів і багатоетапних процедур обробки одновимірних, двовимірних та багатовимірних даних.

Під час вирішення зазначених задач використовувались методи статистичної просторово-часової обробки (ПЧО) випадкових процесів та полів, статистична теорія антен та оптимального прийому сигналів, методи спектрально-кореляційного аналізу та нелінійної й адаптивної фільтрації, чисельні методи оптимізації та математичного моделювання, теорія експертних систем та методи навчання НМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що на основі узагальнення теорії адаптивної обробки даних в умовах обмеженої апріорної параметричної інформації розвинуто новий науковий напрямок – створено та обґрунтовано теорію стійкої локально-адаптивної фільтрації сигналів та зображень, запропоновано нелінійні багатоетапні методи обробки одновимірних, двовимірних та багатовимірних процесів, а також створено реалізаційні основи побудови високоефективних уніфікованих алгоритмів і пристроїв цифрової обробки для вирішення широкого кола народно-господарських задач. Зокрема:

- синтезовано нові ВВ для покращення характеристик відгуків СФЗ і ДС АГ, які відрізняються простою апаратурно-алгоритмічною реалізацією, урахуванням конструктивно-технологічних обмежень, наближеністю головних параметрів ДС до тих, що можна гранично досягти, та можливістю їх швидкої зміни, стійкістю до впливу завад та інших видів викривлень;

- розроблено методи локально-адаптивної нелінійної фільтрації та багато-етапні процедури обробки зображень при наявності комплексних завад, у тому числі, мультиплікативних з ЩРЙ, несиметричними відносно МО, та просторово-коре-льованих; вперше проведено оптимізацію параметрів блоків таких фільтрів і оцінено їх стійкість до впливу імпульсних завад; удосконалено відомі фільтри з метою забезпечення їх робасності та покращення ступеню придушення завад;

- розроблено нові локально-адаптивні та ітераційні методи відновлення зобра-жень при наявності ефектів дефокусування та впливу складних завад, а також вперше запропоновано методи первинного локального розпізнавання фрагментів зображень на основі сумісної обробки кількох ПЛА за допомогою навчаних НМ і ЕС;

- запропоновано та обґрунтовано методику багатоетапної обробки багатока-нальних РЛЗ, що містить підвищення якості зображень на етапі їх формування, корекцію та нелінійне суміщення зображень та їх прив’язку до топомапи, усунення за-лишкових похибок суміщення та обробку РЛЗ на основі використання оригінальних векторних фільтрів (локально-адаптивних і багатоетапних), первинну та вторинну класифікацію РЛЗ за допомогою НМ, інтерпретацію багатоканальних даних ДЗ на основі радіофізичних моделей з розпаралеленням мет етапів та їх узгодженістю;

- розроблено ефективні методи та швидкодіючі алгоритми підвищення точнос-ті вимірювання кутових координат об'єктів у пасивних акустичних СФЗ: локально-адаптивні та стійкі методи первинної ПЧО випадкових широкосмугових сигналів (ВШСС), локально-адаптивні методи фільтрації оцінок параметрів, представлення послідовності ВЕ у вигляді двовимірних зображень, для обробки яких вперше запропоновано застосовувати двовимірні гібридні нелінійні локально-адаптивні фільтри, що дозволяє суттєво зменшити ймовірність аномальних похибок у таких ІВС;

- працездатність і ефективність запропонованих методів і алгоритмів підтверд-жено для етапів формування, обробки та інтерпретації реальних багатоканальних РЛЗ, інших типів зображень із забезпеченням високих характеристик точності вимірювань та надійності класифікації даних ДЗ.

Практичне значення результатів полягає у тому, що розроблена методологія стійкої локально-адаптивної обробки зображень та сигналів створює науково обґрунтовані реалізаційні основи для побудови нових високоточних та високоефективних й модернізації існуючих систем ДЗ, які функціонують в умовах апріорної невизначеності та впливу завад складної структури. Зокрема:

- запропоновані АФ можуть бути реалізованими у хвилеводно-щільових та ін-ших багатоелементних АГ, що використовуються у системах ДЗ та інших РТС, при наявності конструктивно-технологічних обмежень; розроблені ВВ з цілочисельними ваговими коефіцієнтами мають виключно просту алгоритмічну реалізацію в АГ з ЦОС, РСА та інших СФЗ, при цьому рівень максимальної бокової пелюстки (РМБП) відповідних відгуків може легко змінюватися у широких межах – від –20 до –45 дБ;

- ДС для запропонованих ВВ характеризуються шириною головної пелюстки (ШГП) і РМБП, що є зрівняними з цими параметрами для оптимальних ДС ДЧ і КБ, а стійкість цих параметрів до впливу завад і викривлень для запропонованих ВВ не є гіршою за стійкість для ВВ КБ та краще за ВВ ДЧ;

- запропоновані одновимірні ЛАФ забезпечують інтегральну та локальну ефективність обробки процесів, яка або краще, або наближується до найкращої серед неадаптивних аналогів за умов обмежених апріорних відомостей про характеристики сигналів і завад, при цьому за рахунок конвейєрної обробки даних, розпа-ралелення обчислень і використання швидких алгоритмів сортування для багатьох практичних ситуацій вдається реалізувати ЛАФ у реальному часі;

- більшість запропонованих ЛАФ для обробки одно- та багатоканальних зображень також мають високу швидкодію, яка досягається завдяки їх блочній структурі, використанню порівняно простих алгоритмів обробки у ковзному вікні, узгодженості параметрів алгоритмів у блоках і т.і.; при цьому досягається підвищення пікового співвідношення сигнал-завада на 9-11 дБ;

- внаслідок блочної структури запропонованих ЛАФ і багатоетапних процедур у багатьох блоках можна використовувати існуючі пристрої та алгоритми, інші блоки вимагають несуттєвих модифікацій з мінімальним зниженням швидкодії;

- запропоновані алгоритми фільтрації одно- і багатоканальних зображень забезпечують задовільний на практиці компроміс між придушенням флуктуаційних завад на однорідних ділянках (до 18 дБ), стійкістю до імпульсних завад, збереженням меж, малорозмірних деталей і текстурних ознак; для конкретних ситуацій та типів СФЗ наведено рекомендації щодо вибору найбільш ефективного метода обробки компонентних зображень;

- розроблені алгоритми первинної та вторинної обробки сигналів та послідовностей ВЕ у системах дистанційного визначення параметрів об'єктів дозволяють розширити діапазон співвідношень сигнал-шум і дальностей до об'єктів, для яких можливим є стійке функціонування цих систем.

Запропоновані методи й розроблені програмні продукти використано для обробки реальних зображень, що сформовані з авіаційного носія Іл-18Д засобами ДЗ ІРЕ НАН України та Центру ДЗ Землі ім. А.І.Калмикова та з космічного супутника “Cіч-1” (за замовленням НДІРВ, м. Харків), дистанційними методами визначено ступінь еродованості ґрунтів (у співпраці з ІРЕ НАН України). Розроблені методи, цифрові алгоритми та програмні засоби було впроваджено в ІРЕ НАН України, ЦРЗЗ НАН України ім. А.І.Калмикова, НДІРВ (м. Харків), Харківському інституті ВПС, використано в учбовому процесі каф. 504 Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. Ефективність розроблених підходів продемонстровано також під час вирішення задач обробки кольорових зображень, оцифровки топомап, відбудови рельєфу поверхні Землі, отриманні мап радіозавад.

Особистий внесок автора. У роботах, що написано у співавторстві, автором самостійно висунуто наступні ідеї та отримано такі результати: запропоновано та оптимізовано східцеві ВВ с числом східців від 5 до 15 та отримано результати ста-тистичного аналізу параметрів відповідних ДС [34], запропоновано методику синтезу сумарних ВВ Кайзера-Бесселя та згорткових ВВ [35, 8], а також засоби урахування конструктивно-технологічних обмежень під час проектування багатолементних АГ [36, 7]; запропоновано алгоритми реалізації ВВ у РСА під час формування стрічних зображень з компенсацією фазових викривлень і у багатопоглядовому режимі [34, 36]; розроблено двовимірні ЛАФ з жорстким переключенням [9, 10, 25, 29, 32] і запропоновано шляхи та методики оптимізації їх блоків [11, 12, 29]; запропоновано двоетапні та багатоетапні (з використанням гомоморфних перетворень) методи обробки РЛЗ [9, 12, 36-39]; висунута концепція використання ЕС і НМ для первинного локального розпізнавання зображень [13, 28, 40, 41]; розроблено локально-адаптивні підходи до відновлення зображень [30], обґрунтовано методику поетапної обробки й інтерпретації багатоканальних РЛЗ [14, 24-26, 31], сформульовано вимоги до век-торних фільтрів і запропоновано способи забезпечення відповідних властивостей [15, 24, 42, 43]; обґрунтовано методики проведення чисельного моделювання, вибір моделей і критеріїв, що використовуються [17, 22, 25]; проведено аналіз статистичних характеристик одноразових оцінок кутових координат об'єктів у ГАС [16-18]; розроблено одновимірні та двовимірні стійкі ЛАФ на основі Z-параметрів [19-21, 23], а також інші нелінійні адаптивні фільтри [27], виявлено особливості поведінки вихідних сигналів нелінійних фільтрів на ділянках сигналів, що лінійно змінюються [19]; запропоновано двовимірні гібридні адаптивні фільтри для обробки послідовностей ВЕ у ГАС [17, 33], обґрунтовано методики обробки реальних даних [14, 31].

Апробація результатів дисертації. Головні результати та положення дисертаційної роботи було представлено та обговорено на Всесоюзних і Міжреспублі-канських науково-технічних конференціях "Статистичні методи в теорії передачі та перетворення інформаційних сигналів" (Київ, 1988), "Методи представлення й об-робки випадкових сигналів і полів" (Туапсе, 1989, 1991, 1993), "Проблеми удосконалення радіоелектронних комплексів забезпечення польотів" (Київ, 1989), "Інформаційні методи підвищення ефективності та завадостійкості радіосистем і систем зв’язку" (Ташкент, 1990), "Фазовані антенні гратки та їх елементи" (Казань, 1990, 1992, 1994), "Прийом і аналіз наднизькочастотних коливань природного походження" (Львів, 1990), "Радіофізична інформатика” (Москва, 1990), "Актуальні проблеми фундаментальних наук" (Москва, 1991), "Застосування дистанційних радіофізичних методів у дослідженнях природного середовища" (Муром, 1992, 1999), "Прибори, техніка та розповсюдження ММ і субММ хвиль" (Харків, 1992, 2001), Всеукраїнських НТК "Sіgnal/Іmage Processіng and Pattern Recognіtіon" (Київ, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000), "Автоматика-95" (Львів, 1995), Міжнародних НТК TENCON-93 (Пекін, Китай, 1993), ІCSP-93 (Пекін, Китай, 1993), PІERS-94 (Ноорвійк, Нідерланди, 1994), ІCMWFST-94 "Технологія застосування хвиль ММ і дальнього інфрачервоного діапазону” (Гуанчжоу, Китай, 1994), "Математичні методи в електромагнітній теорії" (Харків, 1994; Львів, 1996; Харків, 1998, 2000), "Сучасна радіолокація" (Київ, 1994), "Теорія та техніка антен" (Харків, 1995; Київ, 1997; Севастопіль, 1999), EUSAR-96 (Кьонігсвінтер, Німеччина, 1996), Second Іnternatіonal Aіrborne Remote Sensіng Conference and Exhіbіtіon ERІM-96 (Сан-Франциско, США, 1996), EUSІPCO "Обробка сигналів" (Трієст, Італія, 1996; Тампере, Фінляндія, 2000), ІEEE Dіgіtal Sіgnal Processіng Workshop (Лоен, Норвегія, 1996), NSІP "Нелінійна обробка сигналів і зображень" (Маккинак, США, 1997; Анталія, Туреччина, 1999; Балтімор, США, 2001), SCS "Сигнали, кола та системи" (Яси, Румунія, 1997, 1999), DAS "Розвиток та застосування систем" (Сучава, Румунія, 1998, 2000), "Проблеми розвитку систем аеронавігаційного обслуговування й авіоніки повітряних суден" (Київ, 1998), SAACS’98 "Automatic Control and Computer Science" (Яси, Румунія, 1998), ІSPCS’98 "Іntellіgent Sіgnal Processіng and Communіcatіon Systems" (Мельбурн, Австралія, 1998), ІCECS’99 "Електроніка, кола ти системи” (Пафос, Кіпр, 1999), ІASTED "Обробка сигналів і зображень" (Нісау, Багами, 1999), ІSCAS’2000 "Кола та сигнали" (Женева, Швейцарія, 2000), Міжнародних симпозіумах "Physіcs and Engіneerіng of MM and SubMM Waves" (Харків, 1994, 1998), NORSІG "Обробка сигналів і зображень" (Еспу, Фінляндія, 1996; Колморден, Швеція, 2000), FІNSІG "Обробка сигналів і зображень" (Порі, Фінляндія, 1997; Оулу, Фінляндія, 1999), AeroSense (Орландо, США, 1995, 2000), EOS/SPІE on Satellіte Remote Sensіng (Париж, Франція, 1995; Лондон, Великобританія, 1997; Барселона, Іспанія, 1998, 2000; Флоренція, Італія, 1999), ІS@T/SPІE Electronіc Іmagіng: Scіence and Technology (Сан Хосе, США, 1995-2001), Відкритому Симпозіумі URSІ (Ахмедабад, Індія, 1995), Українсько-Російсько-Китайському Симпозіумі "Космічна наука та техніка" (Київ, 1996), Щорічному Симпозіумі SPІE on Optіcal Scіence, Engіneerіng and Іnstrumentatіon (Денвер, 1996, 1999; Сан Дієго, 1997, 1998; США) та інших. Крім того, матеріали доповідались на щорічних наукових конференціях співробітників Національного аерокосмічного університету (ХАІ); увійшли у звіт з НДР, що нагороджено дипломом на конкурсі "Наука Харківщини-2000".

Публікації за темою дисертації. Головні результати опубліковано у 46 статтях у періодичних журналах та збірниках статей, що видано в Україні, Росії, США, Туреччині та Сінгапурі, у 78 доповідях, які увійшли у Праці Міжнародних конференцій, 42 тезах доповідей на конференціях різного рівня, 10 звітах з НДР. Головні з них наведено в авторефераті.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків по роботі та списку літератури. У роботі 299 стор. основного машинописного тексту, 111 рисунків і 56 таблиць загалом на 128 стор. Список літератури містить 447 найменувань на 45 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, розглядається стан наукових розробок у обраній галузі досліджень, окреслюються об’єкт та мета дослідження, формулюються основні задачі, наукова новизна та практична цінність. Наведено дані про особистий внесок автора, апробацію, впровадження, зв’язок з науковими програмами.

Перший розділ присвячено аналізу шляхів удосконалення сучасних радіолокаційних комплексів ДЗ і принципів побудови ІВС. Розглянуто системи формування, обробки й інтерпретації радіолокаційних та інших типів зображень, указано їх головні характеристики та перелічені найважливіші застосування таких систем. Показано, що якість первинних зображень часто є недостатньо високою для ефективно-го та надійного вирішення задач їх інтерпретації внаслідок наступного: присутності завад, характеристики яких у залежності від типу СФЗ можуть змінюватися у дуже широких межах і бути негаусівськими; впливу інших факторів, серед яких найважливішими слід вважати похибки калібровки, бокові пелюстки відгуку СФЗ, флуктуа-ції траєкторії носія, помилки кодування/декодування даних під час їх передачі по лі-ніях зв’язку, що є однією з причин появи імпульсних завад. Додатковими факторами є обмеженість апріорних відомостей про умови функціонування СФЗ, одночасна залежність удільної ефективної поверхні розсіяння (УЕПР) від кута спостереження та параметрів самих об’єктів (вологовмісту та ступеню еродованості для ґрунтів без рослинності), необхідність застосовувати різні радіофізичні моделі для вирішення зворотної задачі для різних типів поверхонь, негаусовість простору ознак, тощо.

У зв’язку з цим досить рідко вдається виконати надійну інтерпретацію даних ДЗ, що отримані одноканальними СФЗ. Cуттєво більший об’єм корисної інформації є можливим здобути з багатоканальних даних ДЗ. При цьому під багатоканальністю розуміється формування зображень тієї ж самої ділянки земної поверхні на різних частотах, з різними поляризаціями сигналів, з різними кутами візування або у різні моменти часу. Однак під час обробки даних багатоканального ДЗ доводиться сти-катися з комплексом специфічних задач: суміщення зображень, вибору методів і ал-горитмів їх фільтрації, сумісного аналізу та інтерпретації даних ДЗ. В результаті проведеного аналізу властивостей зображень, зокрема, РЛЗ, що формуються радіо-локаторами бокового огляду (РБО) або РСА, доведено, що для k-го каналу з ураху-ванням домінантних факторів спотворене зображення можна представити у вигляді

, (1)

де - дійсне значення іj-го піксела; - мультиплікативний шум з МО, що дорівнює одиниці, відносною дисперсією і ЩРЙ (), яка може відрізнятися від гаусовської; - імпульсна завада, яка виникає з ймовірністю .

Значну увагу у роботі приділено характерним для РСА РЛЗ випадкам Релеївської та однобічно експоненційної ЩРЙ мультиплікативних завад, у тому числі просторово-корельованих (ПК). Обгрунтовано моделі імпульсних завад, значення для РЛЗ звичайно вважається таким, що не перевищує 0,05.

Проаналізовано способи підвищення якості зображень. Показано, що цю за-дачу необхідно вирішувати як на етапі формування, наприклад, за рахунок покра-щення вигляду відгуку СФЗ та використання багатопоглядового режиму формуван-ня РЛЗ у РСА, так і на наступних етапах вторинної обробки зображень, зокрема, за рахунок використання нелінійних та векторних методів обробки даних, адаптивних й ітераційних процедур. Обговорено переваги та недоліки існуючих методів і під-ходів. Вказано особливості їх застосування для обробки багатоканальних даних ДЗ.

Аналогічні проблеми виникають й під час функціонування інших систем ДЗ й ІВС, зокрема, сучасних радіолокаційних та гідролокаційних систем. Показано, що для цих систем недостатньо висока точність вимірювань параметрів (наприклад, кутових координат об'єктів) обумовлена сумісним впливом низького співвідношення сигнал-завада, обмеженим часом накопичення сигналів, ефектами багатопроме-невого розповсюдження коливань, неоднорідністю середовища розповсюдження, протяжністю та рухом об'єктів. Внаслідок цього для оцінок кутових координат та ін-ших параметрів, що вимірюються, типовими є як змінність у часі характеристик нормальних оцінок, так і поява аномальних похибок вимірювань з ймовірністю Ран, що змінюється у часі. Проаналізовано можливості підвищення точності: для РЛС - за рахунок оптимізації ДС антенних систем, для гідроакустичних систем - завдяки оптимізації первинної ПЧО випадкових широкосмугових сигналів (ВШСС).

Запропоновано для дискретизованої у часі послідовності оцінок параметрів використовувати модельне представлення такого вигляду

, (2)

де - дійсне значення параметра в і-й момент часу; - нормальна скла-дова похибки вимірювання з ЩРЙ, яка близька до гаусовскої, та нестаціонарною дисперсією ; - похибка за умов аномальних вимірювань, що приймає значення 0 з ймовірністю 1-Ран та значення з ймовірністю Ран, яка в окремих випадках може мати порядок десятих.

Очевидно, що для модельних представлень (1) і (2) якість зображень і точ-ність послідовних оцінок параметрів (одновимірних процесів) можуть бути підви-щені завдяки їх вторинній обробці - фільтрації, причому з використанням неліній-них стійких методів. Розглянуто базові класи нелінійних фільтрів, що використову-ються для обробки зображень і сигналів: медіанний, Вілкоксона, -урізані (група 1), КІХ-медіанні гібридні, центрально-зважений медіанний (група 2), сигма, Лі, Фроста (група 3) та інші. Фільтри групи 1 добре усувають негаусовські завади, але погано зберігають деталі. Фільтри групи 2, навпаки, характеризуються гарним збереженням деталей та меж, але недостатньо придушують завади, особливо з несиметричною ЩРЙ. Нарешті, фільтри групи 3 не є робасними до викидів. Указано й інші недоліки цих фільтрів з точки зору зміщення вихідних оцінок, швидкодії, тощо.

Відомо, що для кожної ЩРЙ оптимальний фільтр з точки зору ефективності придушення завад в однорідній вибірці належить до класу L-фільтрів. Проведено оптимізацію вагових коефіцієнтів з обмеженнями типу *меж для Релеївської й однобічно-експоненційної ЩРЙ завад за умови розташування ковзного вікна на однорідній ділянці РЛЗ, де *=N/N визначає робасні властивості L-фільтру, N-число мінімальних і максимальних значень, які відкидаються у вибірці розміром N. Отримані значення вагових коефіцієнтів для порядкових статистик наведено на рис. 1. Видно, що для Релеївської ЩРЙ звичайне усереднення не є ефективною оцінкою (*=0) - у оптимального L-фільтру вагові коефіцієнти зростають при підвищенні номера порядкової статистики. З аналізу результатів для *=0,1 і 0,2 для обох ЩРЙ також стає зрозумілим, що замість оптимального L-фільтру доцільно використо-вувати або -урізані фільтри з несиметричним урізанням вибірки, або запропоновані нами Lpq-фільтри, для яких вихідне значення для центрального відліку ковзного вікна у загальному вигляді описується формулою , де й - вагові коефіцієнти відповідно порядкових статистик у вибірці даних.

Рис. 1 - Вагові коефіцієнти оптимального L-фільтру (N=25, *=0; 0,1; 0,2) для однобічно-експоненційної (а) та Рєлеївської ЩРЙ (б) завад

L-фільтри з оптимізованими параметрами ефективно придушують спекл-шум на однорідних (локально-пасивних) ділянках, але погано працюють у локально-ак-тивних областях - околах перепадів, меж, малорозмірних об’єктів, у областях з текс-турою. Тому для досягнення компромісу у роботі запропоновано використовувати локально-адаптивні фільтри (ЛАФ), узагальнену структуру яких представлено на рис. 2. Найпростіший ЛАФ має ПШФ - придушуючий шуми фільтр, ЗДФ – зберіга-ючий деталі фільтр, ПЛА - показник локальної активності , що розраховується для ij-го положення ковзного вікна і порівнюється з порогом. Для такої структури можливою є оптимізація характеристик ПШФ, порогу, ПЛА та вибір ЗДФ залежно від характеристик завад (ЩРЙ, та ) і пріоритету вимог до ЛАФ. Обговорено способи більш детальної класифікації вибірок у вікні, синтезу більш складних ЛАФ, визначено критерії поділу нелінійних фільтрів на ПШФ і ЗДФ, вимоги до ПЛА.

Розглянуто критерії ефективності фільтрації, що використовуються під час обробки сигналів і зображень, їх розпізнавання й інтерпретації. Показано, що під час аналізу та синтезу доцільно використовувати набір кількісних критеріїв, що вміщує як традиційні показники типу ймовірності правильного розпізнавання та середньо-квадратичної похибки (СКП), що визначаються інтегрально (для всього масиву да-них) і локально (наприклад, для сукупності деталей тестових РЛЗ), так і менш тра-диційні критерії типу коефіцієнта хроматичності, що описує ступінь збереження співвідношень інтенсивностей для багатоканальних РЛЗ і кольорових зображень, матриці розпізнавання, тощо. Для ІВС доцільно одночасно аналізувати дисперсію й ЩРЙ нормальних оцінок та Pан.

Обговорено також можливості багатоетапного (ітеративного) підходів до вирішення задач формування, фільтрації та інтерпретації зображень, вторинної обробки послідовностей оцінок. Розглянуто методики забезпечення високої швидкодії цифрової обробки сигналів і зображень. Показано, що для більшості методів, що аналізуються та запропоновано в роботі, існують засоби досягнення сприйнятної швидкодії завдяки обробці даних у ковзному вікні, розпаралеленню обчислень, використанню швидких алгоритмів і конвейєрної обробки, а також ряду нових ідей, які запропоновано автором. Сформульовано головні задачі досліджень.

Рис. 2 - Блок-схема ЛАФ с жорстким переключенням

Другий розділ присвячено питанням підвищення якості зображень на етапі їх формування. Проаналізовано вплив характеристик СФЗ, зокрема, параметрів ДС антен, що використовуються, та відгуків РСА на вид зображень, що формуються, та ефективність їх наступних фільтрації та інтерпретації. Показано, що бажано змен-шити РМБП ДС і відгуків до рівня не гірше за -20...-25 дБ за умови мінімального розширення ГП. Наведено реальні РЛЗ з наявністю відповідних ефектів.

Обговорено проблеми, що виникають під час досягнення вищезгаданих характеристик ДС за рахунок використання аподизації у багатоелементних АГ з аналоговою обробкою та вагових вікон у фазованих антенних гратках (ФАГ) з цифровою обробкою сигналів (ЦОС). Обґрунтовано необхідність урахування конструктивно-технологічних обмежень для багатоелементних АГ, забезпечення високої швидкодії операції зважування даних у ФАГ, статистичного підходу до синтезу ДС за умов впливу завад і викривлень різного виду.

В узагальненому вигляді запропоновано підхід до синтезу ВВ, що базується на представленні ВВ сумарного виду наступним чином

, (3)

де x-координата на апертурі антени, L-її геометричний розмір, - нор-муючий коефіцієнт, -амплітудний коефіцієнт k-ї компоненти, - k-а компонента ВВ , яка має ненульові значення на інтервалі LkL, K-число компонент. Для ВВ (3), очевидно, є можливою структурно-параметрична оптимізація ВВ і ДС відповідно з критеріями мінімуму РМБП ДС Ym або співвідношення енергії в БП ДС до енергії в ГП завдяки можливості варіювати LkL і {} для заданого K та компонент , які не обов’язково повинні бути одного типу.

Для хвилеводно-щільових антен з конструктивно-технологічними обмежен-нями синтезовано амплітудний розподіл "косинус на п’єдесталі" (Ym=-31,5 дБ) і кіль-ка інших розподілів (K=2) з Ym у межах від -28 до -40 дБ. Для ФАГ, що складається з 18 чотириелементних підрешіток, досягнуто Ym=-31,8 дБ; за умов використання двох ВВ КБ як значення Ym може змінюватися у дуже широких межах. При цьому для всіх випадків, що перелічені вище, для усіх синтезованих ДС ШГП є лише на 8-15% більшою, ніж ШГП ДС для ВВ ДЧ за умови однакових Ym, а значення більш, ніж на порядок менші, ніж для ДС ДЧ.

Показано, що деякі з запропонованих ВВ, наприклад, дво- и трисхідцеві, можуть бути ефективно використаними й для покращення вигляду відгуку під час формування стрічних зображень у РСА із забеспеченням Ym не гірше за -18 дБ при варіюванні фазового набігу на краях синтезованої апертури від /4 до 5/8 для нефокусованої процедури. Розроблено рекурсивні алгоритми розрахунку стрічного зображення, а також швидкий алгоритм формування трипоглядового зображення.

Проведено аналіз статистичних характеристик ДС за умов впливу завад і де-стабілізуючих факторів, які віднесено до двох груп: просторово-корельовані (ПК) та просторово-незалежні (ПН). Показано, що МО та дисперсії Ym та певною мірою зростають за умов присутності завад та викривлень як для тих ВВ, що синтезовані, так і для оптимальних вікон ДЧ та КБ. Однак, більшість синтезованих ВВ мають стійкість головних параметрів ДC до впливу завад та викривлень (як ПК, так і ПН), що є приблизно такою ж, як і стійкість параметрів ДC КБ, та кращою, ніж для ДС ДЧ. За умов високого рівня завад (та однакових Ym ДС в детермінованому випадку) для синтезованих ДС і ДC КБ мають місце приблизно однакові значення МО та дисперсії , але для синтезованих ДС меншим є МО ШГП та нижчим є середній рівень максимальної БП та її дисперсія.

З використанням статистичного підходу проведено аналіз точності калібров-ки РЛС ДЗ (РБО та РСА) авіаційного та космічного базування. Показано, що систе-матичні та флуктуаційні похибки калібровки можуть сягати часток дБ і навіть 1 дБ, у деяких випадках їх можна дещо зменшити за рахунок використання вагової об-робки сигналів у РСА. Похибки калібровки зростають з ростом довжини хвилі зон-дуючого сигналу й вони повинні прийматися до уваги під час синтезу систем ДЗ.

У третьому розділі розроблено теорію та проведено аналіз локально-адаптив-них та ітераційних стійких методів і цифрових алгоритмів вторинної обробки ком-понентних РЛЗ для багатоканальних комплексів ДЗ. Обґрунтовано та перелічено головні вимоги до методів фільтрації та відновлення: ефективне придушення завад на однорідних ділянках за умови збереження середнього рівня, що пов’язано з наступним оцінюванням УЕПР; усунення імпульсних завад у разі їх присутності; збереження меж і деталей (малорозмірних об’єктів), задовільна швидкодія. Деякі з цих вимог є взаємно-суперечними, як-то ефективне придушення завад і збереження меж, усунення викидів і збереження деталей. Задовольнити ці вимоги за умови використання неадаптивних однопрохідних фільтрів важко, а за умови високого рівня мультиплікативних завад (спекл-шума) - практично неможливо, особливо якщо ЩРЙ спекла є несиметричною відносно середнього та спостерігається просторова корельованість сусідніх відліків, що підтверджено для реальних РЛЗ.

Дано опис запропонованих стійких ЛАФ з жорстким переключенням (рис.2). Для випадку гаусовської ЩРЙ мультиплікативних або адитивних завад за умови Pіmp<0,02 розроблено варіанти модифікованого сигма фільтру