Синтез оптимальних алгоритмів дистанційних вимірювань електрофізичних параметрів земної поверхні та її підповерхневих шарів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.07.12 - Дистанційні аерокосмічні дослідження

Синтез оптимальних алгоритмів дистанційних вимірювань електрофізичних параметрів земної поверхні та її підповерхневих шарів

Веласко Еррера Віктор Мануель

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент ВОЛОСЮК Валерій Костянтинович, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, кафедра “Авіаційно-космічні радіотехнічні системи”, професор;

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник АНТЮФЕЄВ Валерій Іванович, Військовий науковий центр космічних досліджень при Харківському військовому університеті, головний науковий співробітник

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, КОМЯК Володимир Олександрович, Інститут радіофізики і електроніки НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа:

Акціонерне товариство “Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань”, відділення №1, Національного космічного агентства України, м. Харків

Захист відбудеться “27” квітня 2001 р. 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 “27” березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О. Д. Абрамов

1. Загальна характеристика роботи

радіотепловий випромінювання аерокосмічний земля

Актуальність теми. Аерокосмічні дослідження Землі та її атмосфери вимірювальними системами дистанційного зондування є одним із приоритетних напрямків у розвитку авіаційно-космічної науки і техніки в Україні. Для народного господарства України важливе значення мають дослідження фізичних властивостей земних поверхонь, формування їх зображень та зображень підповерхневих неоднорідностей, дослідження океану, оточуючої атмосфери і динаміки їх взаємодії як в науковому відношенні, так і для вирішення багатьох практичних задач в інтересах геології, пошуку корисних копалин, екології, сільського господарства, безпеки судноплавства, метеорології, передбачення погодних умов та багатьох інших галузей господарсько-промислового комплексу України.

Основу вирішення багатьох задач аерокосмічного моніторингу природних середовищ складають дистанційні вимірювання їх електрофізичних параметрів та статистичних характеристик (діелектричної проникності, вологості та щільності ґрунту, спектральної яскравості, радіояскравісної і термодинамічної температур, параметрів температурних хвиль, спектрально-кореляційних характеристик нерівностей поверхонь і т. ін.)

Серед найбільш ефективних засобів вирішення цих задач виділяють радіотехнічні методи і системи пасивного і активного дистанційного зондування. Головним чином це пасивні приймачі радіотеплового випромінювання - радіометри та активні радіолокаційні системи.

Традиційні методи дистанційних вимірювань базуються на двохетапній обробці сигналів: первинній - реєстрації амплітудних або енергетичних характеристик електромагнітних полів, і вторинній - наступним визначенням параметрів і статистичних характеристик природних середовищ з аналітичних зв'язків, які задані відповідними електродинамічними або регресійними моделями.

Удосконаленню цих методів на шляху окремої оптимізації етапів первинної і вторинної обробки присвячено багато робіт. Але така окрема оптимізація кожного із етапів пов'язана з труднощами статистичного опису вихідних сигналів первинних пристроїв і складення умовних функціоналів щільностей ймовірностей негаусівських випадкових процесів. Це приводить до необґрунтованого спрощення алгоритмів обробки сигналів і, як наслідок, до втрати точності вимірювань. При цьому також виникають труднощі дослідження похибок вимірювань стосовно різних умов проведення аерокосмічних експериментів.

Тому задачі підвищення точності вимірювань, достовірності інтерпретації даних дистанційних досліджень природних середовищ, оптимального планування та вибору таких умов проведення експериментів, які забезпечують найбільш високі показники ефективності аерокосмічних досліджень, є особливо актуальними, тим більш, що проведення аерокосмічних досліджень потребує дуже великих матеріальних та фінансових витрат.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Автор виконував дослідження в 1997-2000 рр. у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут” на кафедрі “Авіаційно-космічні радіотехнічні системи” відповідно до плану науково-дослідної роботи з держбюджетної теми і є виконавцем НДР: Г502-48/97 (ДР № 0197U15822) “Разработка методов, способов и алгоритмов оптимальной пространственно-временной обработки измерительной информации в высокоэффективных комплексах распознавания сигналов поверхностного и подповерхностного наблюдения аэрокосмического базирования”. Особистий внесок автора полягає в розробці оптимальних алгоритмів обробки сигналів радіотеплового випромінювання системи та алгоритмів формування зображень підповерхневих неоднорідностей і відновлення їх електрофізичних параметрів при активному дистанційному зондуванні.

Мета і задачі дисертаційного дослідження. Метою роботи є статистичний синтез високоточних алгоритмів обробки сигналів для пасивних та активних дистанційних вимірювань електрофізичних параметрів і статистичних характеристик земних поверхонь, а також дослідження похибок вимірювань стосовно проведення аерокосмічних експериментів та розробка рекомендацій по вибору таких умов, при яких ці похибки будуть приймати задані або мінімальні значення.

Для досягнення поставленої мети треба вирішити такі задачі:

Дослідження застосовності електродинамічних моделей розсіяного і власного радіотеплового випромінювання природних середовищ для вирішення зворотних задач відновлення їх параметрів та статистичних характеристик.

Розробка моделей сигналів радіотеплового випромінювання природних середовищ для високоточних вимірювань їх електрофізичних параметрів і статистичних характеристик при пасивному дистанційному зондуванні.

Синтез оптимальних алгоритмів обробки сигналів радіотеплового випромінювання, які спостерігаються в області розкриву антенної системи, та відображення відповідних електродинамічних моделей.

Дослідження граничних похибок вимірювань електрофізичних параметрів і статистичних характеристик земних поверхонь та їх підповерхневих шарів в різних умовах проведення аерокосмічних експериментів (в залежності від кутів орієнтації антенних систем відносно поверхні землі, від виду поляризації радіохвиль, від діапазонів частот і т. ін.) при пасивному дистанційному зондуванні.

Розробка рекомендацій з вибору умов проведення аерокосмічних експериментів пасивними радіометричними системами, які забезпечують найменші або задані похибки вимірювань.

Статистичне моделювання розроблених алгоритмів оцінок параметрів поверхонь та їх порівняльний аналіз з результатами теоретичних розрахунків.

Розробка методики та алгоритмів формування зображень підповерхневих неоднорідностей та відновлення їх електрофізичних параметрів при активному дистанційному зондуванні.

Об'єктом дослідження є методи, алгоритми та засоби дистанційного зондування природних середовищ з аерокосмічних носіїв.

Предметом дослідження є синтез оптимальних алгоритмів дистанційних вимірювань електрофізичних параметрів земної поверхні та її підповерхневих шарів.

Методи дослідження. Під час проведення дисертаційного дослідження використано:

а) методи розробок електродинамічних моделей поверхонь, які базуються на вирішенні прямих електродинамічних задач розсіювання радіохвиль на елементах їх випадкових нерівностей;

б) методи вирішення зворотних задач на основі сучасних методів оптимального радіоприйому радіолокаційних сигналів та їх статистичної обробки;

в) методи комп'ютерного статистичного моделювання та обробки даних комп'ютерних експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів:

подальшого розвитку набула методика наскрізної оптимізації обробки сигналів стосовно вирішення задач оптимальних вимірювань параметрів електродинамічних моделей природних середовищ при пасивному дистанційному зондуванні;

вперше досліджено поведінку граничних похибок вимірювань параметрів і статистичних характеристик конкретних електродинамічних моделей поверхонь та підповерхневих середовищ з врахуванням теплового випромінювання атмосфери, оточуючого фону та внутрішніх шумів приймальних каналів радіометра;

вперше для конкретних моделей однорідних та неоднорідних середовищ розроблена система рекомендацій з вибору умов проведення експериментів, які забезпечують мінімальні або задані похибки вимірювань;

вперше запропоновано оригінальну методику і алгоритми формування зображень підповерхневих шарів ґрунту та вимірювання їх електрофізичних параметрів на основі використання багаточастотних сигналів при активному дистанційному зондуванні.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечуються застосуванням добре апробованих електродинамічних моделей розсіяного і власного радіотеплового випромінювання природних середовищ, дослідженням застосовності цих моделей для вирішення зворотних задач відновлення їх параметрів і статистичних характеристик, коректною математичною формалізацією рівнянь спостереження та коректною строгою математичною постановкою і вирішенням оптимізаційних задач просторово-часової обробки сигналів, передбаченням і дослідженням похибок вимірювань в широкому діапазоні умов проведення аерокосмічних експериментів, а також порівнянням даних теоретичних розрахунків з даними комп'ютерного статистичного моделювання.

Наукове значення роботи полягає у теоретичній розробці оптимальних алгоритмів та проведенні їх дослідження на основі максимізації умовних функціоналів щільностей ймовірностей радіотеплових сигналів як випадкових процесів, а також в методиці розрахунку похибок вимірювань для різних умов проведення експериментів, які дозволяють суттєво розширити клас задач з наукових досліджень і розробок перспективних систем дистанційного зондування.

Результати роботи також мають важливе значення для наукових досліджень властивостей земних покривів, атмосфери, океанів і морів та їх впливу на біосферу планети.

Практичне значення отриманих результатів:

синтезовані алгоритми дозволяють модернізувати структури пасивних і активних радіосистем зондування природних середовищ, а також коректно розподілити обробку сигналів на первинну та вторинну;

результати досліджень граничних похибок для різних умов проведення аерокосмічних експериментів дозволили сформулювати рекомендації щодо вибору таких умов зондування, при яких похибки вимірювань будуть мінімальні або задані;

правильний вибір кутів орієнтації антенних систем відносно поверхні Землі, вибір виду поляризації радіохвиль, часу доби або сезону для проведення вимірювань дозволить підвищити ефективність виконання аерокосмічних досліджень та експериментів.

Результати дисертаційної роботи були впроваджені в розробки Філії державного науково-виробничого центру “Природа” (м. Харків), в розробки Центра радіофізичного зондування Землі НАН України та НКА України (м. Харків), а також в Науково-дослідному інституті радіотехнічних вимірювань (м. Харків).

Особистий внесок здобувача. Всі результати роботи отримані автором самостійно. Роботи [1-5] написані особисто. В них розроблені алгоритми оптимального оцінювання електрофізичних параметрів та статистичних характеристик різних природних середовищ, проведено аналіз та розрахунки граничних похибок вимірювань електрофізичних параметрів і статистичних характеристик для різних електродинамічних моделей власного радіотеплового випромінювання природних середовищ.

В публікаціях, які були написані у співавторстві, здобувачеві належить: розробка алгоритмів оптимальних оцінок параметрів підповерхневих середовищ та аналіз застосування електродинамічних моделей для вирішення задач підповерхневого зондування [6,13,14]; комп'ютерне моделювання розроблених алгоритмів оптимального оцінювання електрофізичних параметрів та статистичних характеристик різних природних середовищ, аналіз та розрахунок граничних похибок оцінок їх електрофізичних параметрів та статистичних характеристик [7,9,10,11,12]; синтез алгоритмів формування зображень джерел власного радіотеплового випромінювання [8], розробка оптимальних алгоритмів обробки сигналів радіотеплового випромінювання при пасивному дистанційному зондуванні та алгоритмів формування зображень підповерхневих неоднорідностей і відновлення їх електрофізичних параметрів при активному дистанційному зондуванні [16].

Апробація результатів дисертації. Апробація результатів дисертаційних досліджень проводилась на засіданнях і семінарах кафедри “Авіаційно-космічні радіотехнічні системи” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”. Основні результати дисертаційних досліджень докладені на таких науково-практичних конференціях, семінарах та симпозіумах: семінарах Харківської секції Наукової ради НАН України з проблеми “Кібернетика”; на міжнародній конференції “ICSPAT The International Conference on signal Processing Applications & Technology” (San Diego, CA, USA, 1997), на міжнародній конференції “The XXVII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology” (Moscow, Russia, 1998), на міжнародному симпозіумі “Proceedings of International Symposium on Information Theory and its Applications” (Mexico City, Mexico, 1998), на міжнародному симпозіумі “MSMW'98 Third International Kharkov Symposium Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves” (Kharkіv, Ukraine 1998), на міжнародній науково-технічній конференції “Проблемы развития систем аэронавигационного обслуживания и авионика воздушных судов” (Аэронавигация и авионика Киев 1998), на міжнародній конференції “SPIE's 13th Annual International Symposium on Aerospace/Defense Sensing, simulation, and Controls AeroSense” (Orlando, Florida, USA, 1999), на міжнародній конференції “Proceedings of IIIrd International Conference Antenna Theory and Techniques” (Sevastopil, Ukraine, 1999), на міжнародному симпозіумі “The EOS/SPIE Symposium on Remote Sensing” (Florence, Italy, 1999), на науково-технічній конференції “Компьютерные и радиотехнические системы” (Харків, Україна, 1999 г.), на міжнародній конференції “SPIE's 14th Annual International Symposium on Aerospace/Defense Sensing, simulation, and Controls AeroSense”(Orlando, Florida, USA, 2000), Третій європейській конференції по радарам з синтезованою апертурою, (м. Мюнхен, Німеччина, 2000).

Публікації. За результатами роботи опубліковано 16 наукових праць. Серед них: 7 статей в збірках наукових праць; 9 тез та доповідей на міжнародних конференціях і симпозіумах та один науковий звіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 104 найменувань, додатка. Загальний обсяг роботи складає 195 сторінок, у тому числі 143 сторінки основного тексту і 56 рисунків.

2. Зміст роботи

Вступ до дисертаційної роботи містить такі положення: актуальність теми; зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами; основна мета і задачі дослідження; методи дослідження; наукова новизна одержаних результатів; обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій; наукове та практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача; інформація про апробацію та публікації результатів дисертації; стислий зміст розділів дисертаційної роботи.

У першому розділі дисертації наведені основні поняття та визначення щодо фізики радіотеплового випромінювання земних покривів, підповерхневих середовищ, водних поверхонь і атмосфери. Розглянуті різні електродинамічні моделі розсіяного та власного радіотеплового випромінювання. Головну увагу було приділено дослідженню застосовності цих моделей для вирішення зворотних задач відновлення їх електрофізичних параметрів і статистичних характеристик середовищ, що досліджуються.

Шуканими параметрами та статистичними характеристиками були спектральні яскравості, термодинамічні температури, діелектричні проникності, вологість, параметри температурних хвиль, спектрально-кореляційні характеристики нерівностей рельєфу і т. ін.

Спочатку розглянуті моделі радіотеплового випромінювання однорідних плоских неізотермічних середовищ. В межах цих спрощених моделей може розглядатись значно ширший клас природних та штучних покривів. Перш за все сюди треба віднести порівняно товсті шарові об'єкти з великим поглинанням і гладкою поверхнею, наприклад, асфальтові і бетонні покриви, спокійну водну поверхню, гладкі поверхні 3емлі, дуже товсті материкові льоди, сильно солоні морські льоди.

Далі розглянуті моделі двохшарових поверхонь, які добре описують льодові покриви, плівки нафтопродуктів, які забруднюють водну поверхню і т. ін. Основними параметрами цих моделей, оцінка яких має практичний інтерес, є діелектрична проникність і товщина.

Досліджені моделі дрібномасштабної поверхні в наближенні малих збурень, моделі збуреної крупномасштабної морської поверхні. Ці моделі розглядались як з врахуванням, так і без врахування впливу атмосфери.

Також досліджено моделі випадково-неоднорідних підповерхневих середовищ, які дозволяють вирішити зворотні задачі підповерхневого зондування і визначати профілі вологості, температури, а також статистичні характеристики флуктуацій діелектричної проникності підповерхневих неоднорідностей.

При цьому головну увагу приділено встановленню математичних зв'язків спектрально-кореляційних характеристик випромінюваних полів з електрофізичними параметрами і статистичними характеристиками земних поверхонь і атмосфери. Ці зв'язки визначались або як результати вирішення прямих електродинамічних задач розсіювання радіохвиль на елементах неоднорідностей природних середовищ з наступним переходом до спектральних яскравостей випромінювання і радіояскравісних температур, або як рівняння регресії, які одержані в результаті статистичної обробки даних експериментів, спеціально призначених для встановлення цих зв'язків.

Другий розділ присвячено синтезу оптимальних алгоритмів обробки сигналів радіотеплового випромінювання природних середовищ для оцінок їх електрофізичних параметрів і статистичних характеристик , які мають постійні значення на інтервалі часу обробки .

С початку розглянуті рівняння спостереження в припущенні, що на розкриві однієї антени або антенної решітки реєструються гаусівські випадкові поля , які породжені власним радіотепловим випромінюванням середовища, що досліджується, зовнішнім фоном, підсвіткою атмосфери і т. ін.

,

де - частота;

- спектрально-кутова щільність комплексної амплітуди зовнішнього гаусівського поля, до якої також додано і шум вхідних пристроїв;

- амплітудно-фазовий розподіл розкриву антенної системи.

Внутрішній шум вхідних пристроїв радіометрів також включений в сигнали, що реєструються, і разом з ними проходить лінійний тракт радіометра з передаточною характеристикою . Введення передаточної характеристики обмежує зверхширокосмуговий спектр теплового випромінювання, полегшує математичне вирішення задачі і враховує той факт, що реальні радіометри приймають сигнал в кінцевій смузі частот.

Особливістю складення рівняння спостереження є додаток ще одного шуму на виході лінійного тракту радіометру. Цей шум є малим і грає роль регуляризуючої добавки при вирішенні зворотних задач відновлення параметрів і статистичних характеристик природних середовищ.

При таких припущеннях рівняння спостереження мають вигляд

, , , ,. (1)

Індекс може відповідати різним поляризаціям, різним частотним піддіапазонам, різним положенням антени відносно поверхні, що досліджується, різному часу доби або сезону спостереження і т. ін. Число повинно бути не меншим числа параметрів, які оцінюються.

Таке представлення рівняння спостереження дозволяє здійснити строгий математичний перехід від спектрально-кутової щільності комплексної амплітуди поля спочатку до його кореляційної функції і енергетичного спектру, а потім до спектральної яскравості середовища, його радіояскравісної температури (у відповідності з формулою Релея-Джинса) і до антенної температури. Таким чином, через статистичні характеристики поля в строгій математичній формі встановлено його зв'язок з параметрами та статистичними характеристиками відповідних електродинамічних моделей.

Оптимізацію алгоритмів було виконано в рамках методу максимальної правдоподібності. Максимізації підлягав функціонал

. (2)

де - зворотна матриця зворотних кореляційних функцій, яка залежить від

шуканих параметрів, в тому числі і від спектральних яскравостей і радіояскравісних температур.

У третьому розділі виконані розрахунки граничних похибок вимірювань електрофізичних параметрів для електродинамічних моделей природних середовищ, розглянутих в першому розділі, що визначаються діагональними елементами коваріаційних матриць помилок, зворотних до інформаційних матриць Фішера.

Елементи матриці Фішера знайдені в такому вигляді

,

, (6)

де - ефективна смуга частот сигналів прийнятого випромінювання, які проходять через -ий канал приймача радіометра.

Зокрема, для двохпараметричної задачі при наявності двох невідомих параметрів , і можливості реєстрації коливань вертикальної і горизонтальної поляризації граничні дисперсії похибок можуть бути розраховані по формулі

, (7)

де величина - аналог енергетичного відношення сигнал/шум.

В цьому розділі послідовно були досліджені похибки вимірювань різних параметрів та статистичних характеристик моделей неізотермічних гладких поверхонь, моделей дрібномасштабної поверхні, поверхні збуреного моря, нафтових плівок, підповерхневих середовищ з випадковими змінами коефіцієнта заломлювання і т. ін.

Для моделі дрібномасштабної поверхні на рис. 1 і рис. 2 показані теоретичні та експериментальні (за результати статистичного комп'ютерного моделювання) залежності середньоквадратичних значень спільних оцінок двох невідомих параметрів

і , відповідно, (де - середньоквадратична висота нерівностей поверхні, - довжина хвилі і - реальна частина діелектричної проникності) як функцій кута візування при одночасному прийомі коливань двох поляризацій ідентичними каналами радіометра. При цьому прийняті такі опорні значення параметрів моделі:

, , ,

Видно, що при малих опорних значеннях кутів залежність є монотонною, що спадає. Причому тут похибки дуже великі. По мірі збільшення вони зменшуються, але при кутах Брюстера і при кутах візування близьких до , похибки зростають дуже швидко. Рекомендується для вимірювання вибирати кути , а для вимірювання реальної частини діелектричної проникності - .

Для моделі підповерхневого середовища з випадковими змінами коефіцієнта заломлювання показані теоретичні та експериментальні залежності середньоквадратичних значень для спільних оцінок двох невідомих параметрів і (де - реальна частина діелектричної проникності підповерхневих середовищ, - тангенс кута втрат) як функцій кута візування також при одночасному прийомі коливань двох поляризацій ідентичними каналами радіометра. При цьому були прийняті такі опорні значення параметрів моделі. Рекомендується для вимірювання реальної частини діелектричної проникності вибирати кути або .

У четвертому розділі синтезовані алгоритми оптимальної просторово-часової обробки полів розсіяного випромінювання при формуванні зображень підповерхневих неоднорідностей і оцінок їх електрофізичних параметрів, які можуть бути використані як в стаціонарних системах радіобачення, так і в рухомих радіолокаторах типу РСА (радарах з синтезованою апертурою ).

У першій постановці передбачається можливість відновлення будь-якого із зображень або параметрів . У другій - зображення першого шару найбільш інтенсивне, що заважає, тому передбачається можливість придушення першого зображення і відновлення зображень підповерхневих шарів, їх неоднорідностей і параметрів.

У першій постановці з умови максимума функціонала правдоподібності була знайдена така система інтегральних рівнянь для оцінок зображень підповерхневих шарів і їх електрофізичних параметрів:

Зондуючи сигнали повинні бути вибрані такими, щоб функція невизначеності була вузькою, а була близького або дорівнювала нулю, тобто сигнали і повинні бути ортогональними. Ліві частини рівнянь (10) містять в собі основні дії, що виконуються системою над прийнятим коливанням , і які забезпечують “фокусування” системи на -й шар підповерхневого середовища. У цих алгоритмах основними операціями є:

- просторове перетворення Фурьє у разі далекої зони або зони перетворювання Френеля - у разі ближньої зони розміщення елементів поверхні відносно елементів антенної решітки (фокусування в кутомісній площині в заданих напрямах);

- узгоджена фільтрація по азимутальній змінній х (для систем з синтезованою апертурою);

- узгоджена фільтрація по дальності, що забезпечує фокусування системи по глибині на заданий підповерхневий шар.

Далі розглянуто один з квазіоптимальних варіантів рішення задачі із застосуванням багаточастотного сигналу. За допомогою передаючого пристрою, що містить генераторів, дільницю місцевості, що картографується, опромінюють сукупністю монохроматичних сигналів з однаковими амплітудами і еквідистантними частотами

,

.

Для спрощення теоретичних розрахунків розглянуті лише два шари: верхній - з границею розділу середовищ повітря-земля і один з підповерхневих шарів зображення, який підлягає селекції. Сигнал вигляду (9), що прийнятий антенною решіткою, містить дві складових, які характеризуються спектрально-кутовими комплексними амплітудами такого вигляду

, (13)

де - спектрально-кутова щільність комплексних амплітуд сигналів, розсіяних поверхнею розділу і підповерхневим шаром, відповідно і прийнятих антеною,

и - відстані від антени до поверхні розділу і підповерхневого шару відповідно.

Цей сигнал зазнає розфільтровки на сигнали окремих частот, кожна з яких зазнає діаграмо-створення (просторового дискретного перетворення Фурьє відносно елементів антенної решітки), внаслідок якої формується сукупність променів, що покривають сектор огляду, який досліджується. Сигнали в кожному промені і на кожній частоті зазнають квадратурного детектування і вагового множення на множники, що рівні коефіцієнтам бінома Ньютона.

Графіки, які побудовані на рис. 6 не враховують можливі зміни величин при переході від однієї частоти радіохвиль до другої частоти. Аналіз впливу цих змін, виконаний на прикладі розрахунків коефіцієнтів розсіювання для двохмасштабної поверхні показав, що коефіцієнти зменшуються при збільшенні величини , але все ж складають величини дБ і більше. Треба також додати, що при скороченні довжини хвилі збільшується розрізнювальна здатність системи і, отже, точність відтворення зображення. Однак при цьому збільшується згасання хвиль в підповерхневих шарах. Для більш довгих хвиль збільшується глибина проникнення в підповерхневе середовище, але при цьому зменшується розрізнювальна здатність і коефіцієнт селекції . Тому на більш довгих хвилях необхідно застосовувати антени з великими апертурами . Причому для отримання заданих коефіцієнтів селекції для великих висот необхідно збільшувати розміри апертури. Найбільш ефективно рішення цієї задачі при формуванні зображень підповерхневих неоднорідностей материкових льодів, піщаних ґрунтів, вапнякових порід, які мають мале згасання хвиль в підповерхневих шарах.

Основні результати і висновки

1. Досліджені різноманітні електродинамічні моделі радіотеплового випромінювання таких природних середовищ, як неізотермічні гладкі поверхні, двохшаруваті поверхні (нафтові плівки), поверхні збуреного моря, дрібномасштабні поверхні, моделі випадково - неоднорідних підповерхневих середовищ з випадковими змінами коефіцієнта заломлювання і т. ін. Моделі розглядались як без врахування, так і з врахуванням впливу атмосфери. Досліджено застосовність цих моделей для вирішення зворотних задач оцінок електрофізичних параметрів та статистичних характеристик цих середовищ.

2. Розроблені моделі сигналів радіотеплового випромінювання, що спостерігаються в площині їх прийому на розкривах антенних систем, в яких відображені моделі радіотеплового випромінювання у вигляді математичних зв'язків радіояскравісних температур з електрофізичними параметрами та статистичними характеристиками природних середовищ.

3. Отримані алгоритми обробки сигналів радіотеплового випромінювання для оптимального дистанційного вимірювання електрофізичних параметрів і статистичних характеристик природних середовищ. Досліджені граничні похибки вимірювань електрофізичних параметрів та статистичних характеристик для конкретних електродинамічних моделей земної поверхні і їх підповерхневих шарів при різних умовах проведення аерокосмічних експериментів пасивними системами дистанційного зондування.

4. Проведене статистичне моделювання алгоритмів вимірювання електрофізичних параметрів і статистичних характеристик природних середовищ і порівняльний аналіз з результатами теоретичних розрахунків.

5. Для кожної електродинамічної моделі розроблені рекомендації з вибору умов проведення і планування аерокосмічних експериментів при пасивному дистанційному зондуванні, що забезпечують найменші похибки вимірювань.

6. Синтезовані алгоритми оптимального формування зображень підповерхневих неоднорідностей і відновлення їх електрофізичних параметрів при активному дистанційному зондуванні. Розроблено метод та алгоритм формування зображення підповерхневих неоднорідностей на основі використання багаточастотних сигналів при активному дистанційному зондуванні.

Основні результати дисертації опубліковані в 16 роботах. З них в збірниках наукових праць

Веласко Эррера В. М. Оптимальные оценки параметров температурных волн в подповерхностных средах при пассивном радиолокационном зондировании // Авіаційно - космічна техніка і технологія. - Харків: “ХАІ”. - 1999.- Випуск 14. - С. 140-146.

Веласко Эррера В. М. Оптимизация измерений электрофизических параметров, характеризующих степень загрязнения морской поверхности // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях. - Харьков. - 2000. - Выпуск 82. - С. 85-89.

Веласко Эррера В. М. Исследование предельных погрешностей оценок электрофизических параметров взволнованной поверхности воды при пассивном дистанционном зондировании // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях. - Харьков. - 2000. - Выпуск 83. - С. 51-55.

Веласко Эррера В. М. Радиотепловое излучение мелкошероховатых поверхностей земных покровов и исследование потенциальных точностей измерений их электрофизических параметров// Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Новые решения в современных технологиях.- Харьков. - 2000. - Выпуск 117. - С. 59-64.

Веласко Эррера В. М. Пассивное дистанционное зондирование подповерхностных сред и измерение их электрофизических параметров// Авіаційно - космічна техніка і технологія. - Харків: “ХАІ”. - 2000.- Випуск 21. - С. 136-142.

Волосюк В. К., Кравченко В. Ф., Веласко Эррера В. М. Формирование изображений подповерхностных неоднородностей и восстановление их электрофизических параметров // Электромагнитные волны и электронные системы. - Т. 4. № 5. - Москва.- 1999. - С. 38- 47.

Volosyuk V.K., Ponomaryov V.I., Velasco Herrera V.M., Gorbunenko O.A. Optimal processing algorithms in the multichannel scatterometers.// Cientifica. Instituto Politecnico Nacional. - Mexico.- 1999, p. 39-45.

Праці, що опубліковані за результатами конференцій:

Volosyuk V. K., Velasco Herrera V. M., Ponomaryov V. I. Transformations Volosyuk-Fourier for optimal reconstruction of radio brightness images of wideband and superwideband microwave radiometric systems // Proc. SPIE Vol. 4053, p. 229-238, Algorithms for Synthetic Aperture Radar Imagery VII, Edmund G. Zelnio; Ed.

Volosyuk V.K., Velasco Hererra V.M., Falkovich S.E., Gorbunenko O.A., Sokolnikov A.V. Methods of remote sensing of stratified mediums and their applications // Proc. of Third International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”.- Kharkov, Ukraine, September 15-17, 1998.- p.532-534.

Volosyuk V.K., Kravchenko V.F., Sokolnikov A.V., Gorbunenko O.A., Onishchuk V.A., Velasco Hererra V.M. Optimized complex signal processing in multichannel synthesized aperture radar //Proc. of Third International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”.- Kharkov, Ukraine, September 15-17, 1998.-p.535-537.

Volosyuk V.K., Gorbunenko O.A., Velasco V.M., Ponomaryov V.I., Sokolnikov A.V., Onishchuk V.A. Stochastic signal processing in the active remote sensing // Proc. of “The 1998 International Symposium on Information Theory and applications”.- Mexico City, Mexico, October 14-16, 1998. Р.227.

Volosyuk V.K., Sokolnikov A.V., Velasco Herrera V.M., Gorbunenko O.A., Onishchuk V.A., Ponomaryov V.I. Optimal processing algorithms in multichannel SAR systems of remote sensing //Proc. of “The 1998 International Symposium on Information Theory and its Applications”, Mexico City, Mexico, October 14-16, 1998, pp.451-453.

Velasco V.M., Pogrebniak A.B., Ponomaryov V.I., Volosyuk V.K., Sokolnikov A.V., Gorbunenko O.A. Novel filtering algorithms of subsurface image // Proceedings of “The 1998 International Symposium on Information Theory and its Applications”ю- Mexico City, Mexico, October 14-16, 1998. Р. 549-552.

V.I. Ponomaryov , V.K. Volosyuk, V.M. Velasco Herrera. Novel rank filtering algorithms in subsurface imaging//Proc. SPIE 13th Annual International Symposium on Aerosens.- Orlando, Florida, USA.- 5-9 April 1999.- Vol. 3704.- P.196-207.

Volosyuk V.K., Velasco Hererra V.M., Gorbunenko O.A., Sokolnikov A.V. Algorithms of remote sensing of image in stratified mediums // Proc. of “The XXVIII Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology”.- Moscow, Russia, 1998. Р.192-196.

Volosyuk V.K., Falkovich S.E., Velasco Herrera V.M., Gorbunenko O.A. Optimal combined processing of signals in multichannel synthetic aperture radars // Proc. of Third International Conference “Antenna theory and techniques”.- Sevastopil, Ukraine, 1999. Р. 258-260.

Звіти про НДР:

Барышев И.В., Фалькович С.Е., Волосюк В.К., Веласко Эррера В.М. и др. Разработка методов, способов и алгоритмов оптимальной пространственно-временной обработки измерительной информации в высокоэффективных комплексах распознавания сигналов, поверхностного и подповерхностного наблюдения аэрокосмического базирования: Отчет о НИР Г502-48/97, № ГР 0197U15822. - Харьков; ХАІ, 1999. - 76 с.

Анотація

Веласко Еррера Віктор Мануель. Синтез оптимальних алгоритмів дистанційних вимірювань електрофізичних параметрів земної поверхні та її підповерхневих шарів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження. - Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2001 р.

Дисертація присвячена синтезу оптимальних алгоритмів обробки сигналів радіотеплового випромінювання для високоточних вимірювань електрофізичних параметрів і статистичних характеристик природних середовищ на основі максимізації умовних функціоналів щільностей ймовірностей радіотеплових сигналів як випадкових процесів.

Досліджені граничні похибки цих вимірювань в різних умовах проведення аерокосмічних експериментів, які визначаються видами поляризацій радіохвиль, часом доби або сезоном проведення вимірювань, кутами орієнтації антен і т. ін.

Розроблені рекомендації з вибору таких умов проведення експериментів, при яких погрішності вимірювань параметрів та статистичних характеристик природних середовищ будуть мінімальні.

В дисертації також запропоновано оригінальний метод та алгоритми формування зображень підповерхневих шарів ґрунту та вимірювання їх електрофізичних параметрів на основі використання багаточастотних сигналів, які можуть бути застосовані як в стаціонарних системах радіобачення, так і в рухомих радіолокаторах типу РСА (радарах з синтезованою апертурою) при активному дистанційному зондуванні.

Ключові слова: аерокосмічні дослідження, радіотеплове випромінювання, електрофізичні параметри та статистичні характеристики, моделі природних середовищ, земні поверхні, синтез оптимальних алгоритмів, інформаційна матриця Фішера, граничні похибки вимірювань, зображення підповерхневих неоднорідностей.

Summary

Velasco Herrera Victor Manuel. Synthesis of optimum algorithms of remote measurements of electrophysical parameters of an earth surface and it subsurface of layers. - Manuscript.

Thesis for degree of candidate of engineering science by speciality 05.07.12 - remote aerospace researches. - National space university by N. Ye. Zhukovsky “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, 2001.

The thesis's is devoted to the optimum algorithms of processing of signals of heat radiation for high-precision measurements of electrophysical parameters and statistical characteristics of natural environments at passive remote sensing on the basis of maximization conditional functional of density of probabilities of radiothermal signals as random processes, in which the electrodynamic models of natural environments are displayed.

The thesis's investigates the limiting errors of measurements of the statistical characteristics and electrophysical parameters of earth surfaces and its subsurface layers under various conditions of realization of space experiments (depending on angles of orientation of antenna systems concerning a surface of the Earth, from a kind of polarization, from frequency bands of radio waves and etc.).

And also, the thesis's is devoted to the original technique quasi optimum algorithms of versions of the solution of a task and mapping algorithms of subsurface layers of soils and measurement of their electrophysical parameters on the basis of usage of multifrequent signals, which can be applied both to fixed systems of radiovision and driving radar's (which is synthetic aperture radar's) at active remote sensing .

Key words: space researches, radiothermal radiations, electrophysical parameters and statistical characteristics, models of natural environments earth surfaces, synthesis of optimum algorithms, information Fisher's matrix limiting errors of measurements, image subsurface of heterogeneity.

Аннотация

Веласко Эррера Виктор Мануэль. Синтез оптимальных алгоритмов дистанционных измерений электрофизических параметров земной поверхности и ее подповерхностных слоев - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.12 - “Дистанционные аэрокосмические исследования”. - Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт” Харьков, 2001.

Диссертационная работа посвящена разработке методов и алгоритмов оптимальной и квазиоптимальной обработки сигналов собственного радиотеплового излучения природных сред с целью осуществления высокоточных измерений их электрофизических параметров и статистических характеристик. Эти методы и алгоритмы основаны на использовании электродинамических моделей исследуемых сред.

В диссертации рассмотрены модели неизотермических сред с гладкими поверхностями, модели слоистых сред, модели подповерхностных сред со случайными изменениями показателя преломления, модели мелкошероховатой поверхности, модели морской поверхности.

Для использования этих электродинамических моделей излучающих сред в диссертации были разработаны модели сигналов, которые наблюдаются в области раскрыва антенной системы или на выходах одиночных антенн.

В этих моделях были отображены модели сред в виде связей спектрально- корреляционных характеристик регистрируемых сигналов со спектральными яркостями этих сред, их радиояркостными температурами, а также электрофизическими параметрами и статистическими характеристиками.

Оптимальные алгоритмы были найдены в рамках метода максимального правдоподобия на основе максимизации условных плотностей вероятностей сигналов радиотеплового излучения как случайных процессов.

При синтезе алгоритмов полагалось, что радиотепловое излучение является гауссовским процессом. На основе разработанных моделей сигналов найдены корреляционные функции и энергетические спектры радиотепловых сигналов.

Установлены математические связи между этими характеристиками, спектральными яркостями излучения, радиояркостными и антенными температурами природных сред.

Для составления условных функционалов плотностей вероятностей сигналов теплового излучения найдены математические выражения для обратных корреляционных функций. Особенностью разработанных алгоритмов является формирование периодограмм Фурье принятых процессов, которые предварительно подвергают декорреляции в инверсных выбеливающих фильтрах.

При этом были выполнены расчеты информационных матриц Фишера. На основе определения ковариационных матриц ошибок, обратных к матрицам Фишера, были рассчитаны и исследованы предельные погрешности измерений различных электрофизических параметров и статистических характеристик природных сред с использованием их электродинамических моделей.

На основе выполненных исследований были разработаны рекомендации по выбору таких условий проведения экспериментов, при которых погрешности измерений параметров и статистических характеристик исследуемых сред были бы заданными или минимальными.

Кроме задач пассивного дистанционного зондирования были рассмотрены задачи восстановления изображений подповерхностных сред и оценок их параметров при активном дистанционном зондировании.

При этом были синтезированы оптимальные алгоритмы формирования изображений подповерхностных неоднородностей, а также рассмотрен один из квазиоптимальных алгоритмов и соответствующий метод, основанный на использовании многочастотных сигналов.

Сущность этого метода заключается в подавлении сигналов, рассеянных границей раздела воздух-земля и фокусировке сигналов на заданный подповерхностный слой. При этом были рассчитаны качественные показатели селекции изображения подповерхностного слоя и указаны границы применимости этого метода.

Ключевые слова: аэрокосмические исследования, радиотепловое излучение, электрофизические параметры и статистические характеристики, модели природных сред земные поверхности, синтез оптимальных алгоритмов, информационная матрица Фишера, предельные погрешности измерений, изображение подповерхностных неоднородностей.

Размещено на Allbest.ru