Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время во многих странах ведутся интенсивные работы по созданию автомобильного радиолокатора. Автомобильный радиолокатор - это система радиовидения, предназначенная для повышения безопасности движения на дорогах. Радиолокатор обеспечивает надежную идентификацию подвижных и неподвижных объектов в условиях ограниченной видимости при любых погодных условиях и при любом освещении на дальности от 10 до 500 м.
Одной из задач при создании автомобильного радиолокатора является повышение разрешающей способности и точности радиолокационного изображения с целью повышения надежности идентификации и распознавания радиолокационных объектов.
В импульсном радиолокаторе обзора требуемые точность и разрешение по дальности достигается традиционными методами - уменьшением длительности импульса или использованием внутриимпульсной модуляции.
Разрешение по азимуту определяется отношением длины волны к размеру раскрыва антенны; так для длины волны 0.03 метра азимутальное разрешение в один градус достигается при размерах антенны около 1,5 метров. Такие размеры антенны автомобильного радиолокатора неприемлемы по конструктивным соображениям. Даже при использовании меньших длин волн размер антенны играет существенную роль при разработке конструкции радиолокатора.
В соответствии с этим возникает необходимость повышения точности и разрешающей способности по азимутальной координате нетрадиционными способами. К таким способам можно отнести использование методов цифровой обработки изображений, тем более что автомобильные радиолокаторы строятся с использованием современных технологий, предполагающих цифровую обработку.
В оптических системах видения методы цифровой обработки изображений давно и успешно применяются. Наиболее часто используются методы, позволяющие повысить точность и разрешающую способность при пространственно инвариантных искажениях типа свертки с искажающей функцией (функция размытия точки).
В радиолокационных системах искажения радиолокационного изображения, которые приводят к уменьшению точности и разрешающей способности, также можно рассматривать как пространственно-инвариантные типа свертки с искажающей функцией - сигнальной функцией радиолокатора. При этом другие виды искажений (геометрические, вызванные нелинейными эффектами и так далее) можно не учитывать, так как они могут быть уменьшены до требуемого уровня при проектировании локатора или при обработке радиолокационного сигнала.
При рассматриваемом подходе необходимо ввести понятие точности радиолокационного изображения. Под точностью радиолокационного изображения будем понимать его отклонение от радиолокационного изображения, сформиро-
ванного радиолокатором с менее протяженной сигнальной функцией, чем используемая, а именно, с сигнальной функцией в виде 5-функции.
При таком определении повышение точности позволяет улучшить параметры локатора, такие как точность определения координат радиолокационных объектов и других.
Под разрешающей способностью будем понимать возможность различения двух радиолокационных объектов.
В современных радиолокаторах цифровая обработка используется весьма широко для решения различных задач. Однако рассматриваемой постановке задачи посвящено ограниченное количество работ.
Так, например, известна работа, посвященная цифровой обработке радиолокационных изображений (РЛИ) с целью повышения разрешающей способности (Пирогов Ю.А., Гладун В.В., Тищенко Д.А., Тимановский А.Л., Шлемин И.В., Джен С.Ф. Сверхразрешение в системах радиовидения миллиметрового диапазона // Журнал радиоэлектроники, 2004, №3). В этой работе рассмотрено применение цифровой и обработки изображений применительно к системе пассивного радиовидения, регистрирующей собственное тепловое электромагнитное излучение исследуемых объектов в миллиметровом диапазоне волн. Тепловое излучение является некогерентным, и искажение радиолокационного изображения описываются как свертка двух неотрицательных функций - аппаратной функции (сигнальной функции) и "неискаженного" радио изображения объекта. В статье рассмотрена задача повышения разрешения систем радиовидения математическими методами.
При построении автомобильного радиолокатора излучается когерентный сигнал. Формирование радиолокационного изображения происходит с учетом фаз отраженных от объектов сигналов. Комплексное радиолокационное изображение является сверткой двух комплексных функций - сигнальной функции и "неискаженного" радио изображения объекта. Этот факт определяет особенности обработки, при этом необходимо рассматривать два способа регистрации радиолокационного изображения - с учетом фазы и без учета фазы.
Если регистрируется комплексное радиолокационное изображение (с учетом фазы), то обработку РЛИ с целью повышения точности и разрешающей способности можно производить известными линейными методами. Особенностью обработки является то, что восстанавливаемое радиолокационное изображение является комплексным, в отличие от самого распространенного случая восстановления яркостных (неотрицательных) изображений. Кроме того возможна ситуация, когда обработка может осуществляться только на основе нелинейных методов сверхразрешения. Такая ситуация соответствует случаю, когда искажение комплексного изображения вызвано обнулением его пространственных частот выше некоторой частоты. В области пространственных координат этому соответствует искажающая функция вида sin(x)/x. В оптике такие искажения называются идеальным дифракционным ограничением.
Если регистрируется модуль комплексного радиолокационного изображения (фаза не регистрируется), то восстановление известными методами фор-
мально не представляется возможным, так как модуль комплексной свертки не является сверткой. Эта ситуация требует специального рассмотрения.
Цель диссертационной работы и задачи исследования
Целью диссертационной работы является повышение точности и разрешающей способности радиолокационного изображения на основе цифровых методов обработки сигналов. Для обработки комплексного РЛИ возможно применение известных методов восстановления сигналов; если необходимо достижение сверхразрешения, требуется применение как известных методов, так и разработка новых, ориентированных на специфические свойства РЛИ. Для случая регистрации модуля комплексного РЛИ необходима разработка методики восстановления РЛИ по модулю комплексной свертки, когда фаза этой свертки утрачена.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
Для случая регистрации комплексного РЛИ обоснована возможность применения стандартных методов восстановления и разработаны алгоритмы, реализующие сверхразрешение.
Для случая регистрации модуля комплексного РЛИ (при утрате фазы свертки) обоснована возможность применения стандартных методов восстановления и итерационных алгоритмов, обладающих свойствами сверхразрешения.
Произведен выбор известных и разработанных алгоритмов обработки РЛИ.
4. Осуществлено цифровое статистическое моделирование для количест-
венной оценки повышения точности и разрешающей способности РЛИ на основе алгоритмов цифровой обработки.
5. Подтверждена работоспособность разработанных подходов при обра
ботке реальных РЛИ.
Методы исследований основываются на использовании физических основ формирования РЛИ, статистического синтеза уравнений оптимальной оценки и алгоритмов восстановления, цифрового статистического моделирования.
Научная новизна работы
Получены уравнения оптимальной оценки РЛИ.
Для случая регистрации комплексного РЛИ разработаны методика
восстановления, позволяющая повысить точность и разрешающую способность, и алгоритмы, реализующие сверхразрешение при обработке РЛИ пространственно ограниченных объектов.
3. Для случая регистрации модуля комплексного РЛИ показана возмож
ность нахождения приближенного решения для восстановления моду
ля РЛИ. Такое восстановление возможно на основе линейной фильт
рации и итерационных алгоритмов, позволяющих реализовать сверх
разрешение.
4. Разработан критерий разрешающей способности РЛИ.
5. Осуществлено статистическое моделирование по статистической
оценке повышения точности и разрешающей способности при обработке РЛИ.
6. Обработка реальных РЛИ подтвердила правильность разработанных
подходов и алгоритмов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
Показана возможность повышения точности и разрешающей способности РЛИ при утрате фазы комплексной свертки на основе методов цифровой обработки изображений.
Методами цифровой обработки изображений точность РЛИ может быть повышена на единицы процентов при малых отношениях сигнал/шум и до сотен процентов при больших отношениях сигнал/шум
Разрешающая способность реальных РЛИ цифровыми методами обработки изображений может быть улучшена не менее чем в два раза.
Практическая значимость работы
1. Для случая регистрации реального комплексного РЛИ разработаны ме
тодика и алгоритмы повышения точности и разрешающей способности
РЛИ.
2. Для случая регистрации модуля реального комплексного РЛИ разрабо
таны методика и алгоритмы повышения точности и разрешающей спо
собности РЛИ.
3. Создан программный комплекс цифрового статистического моделиро
вания для оценки повышения точности и разрешающей способности
РЛИ.
4. Экспериментально подтверждены возможность улучшения разрешаю
щей способности не менее чем в два раза и повышения точности РЛИ
на основе разработанных методики и алгоритмов.
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов подтверждается соответствием результатов исследований, полученных методами моделирования и натурного эксперимента.
Публикации и апробация результатов работы
Результаты диссертационной работы докладывались на заседании кафедры 407 Московского авиационного института (государственного технического университета), на 4-ой международной конференции "Авиация и космонавтика 2005" и получили положительную оценку.
По теме диссертации опубликованы две работы (статья и тезисы доклада).
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и библиографического списка, содержащего 17 наименований. Объём работы составляет 143 страниц, включая 122 рисунка и одну таблицу.
