Статистичне оцінювання параметрів поверхонь в активно-пасивних системах дистанційного зондування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження

СТАТИСТИЧНЕ ОЦІНЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ПОВЕРХОНЬ В АКТИВНО-ПАСИВНИХ СИСТЕМАХ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ

НЕЖАЛЬСЬКА Ксенія Миколаївна

Харків - 2007

Загальна характеристика роботи

випромінювання земних дистанційний зондування

Актуальність теми. Для розв'язання задач вивчення природних ресурсів, прогнозування погодних умов, навігації морських суден і літальних апаратів, екологічного моніторингу ґрунтів та ін. велике значення мають аерокосмічні дослідження електрофізичних властивостей земної поверхні, вимірювання її параметрів і статистичних характеристик. При цьому велика увага приділяється радіотехнічним засобам дистанційного зондування, які підрозділяються на два великих класи: активні і пасивні. Останнім часом все частіше для дослідження природних середовищ з аерокосмічних носіїв застосовуються комплексні (комбіновані) активно-пасивні засоби. Комплексні засоби мають більш широкі функціональні можливості при розв'язанні різних задач дистанційного зондування, зокрема, задач оцінок радіояскравісних температур та питомих ефективних поверхонь розсіювання, формування відповідних зображень, а також вимірювань електрофізичних параметрів та статистичних характеристик. Але, незважаючи на важливість та перспективність використання цих засобів, методика сумісної обробки сигналів в них, алгоритмічне забезпечення та вибір умов проведення аерокосмічних експериментів недостатньо досліджені та обґрунтовані. Зокрема, недостатню увагу приділено методам оптимальної та квазіоптимальної обробки сигналів у відповідних засобах. Також недостатньо досліджені можливі похибки вимірювань електрофізичних параметрів та статистичних характеристик природних середовищ при різних умовах проведення експериментів, які стосуються обрання виду поляризацій, діапазонів частот, кутів орієнтації антен і т.ін. Таким чином, питання, пов'язані з оптимальною і квазіоптимальною обробкою розсіяних сигналів та сигналів власного радіотеплового випромінювання в комплексних активно-пасивних системах дистанційного зондування, дослідженням граничних похибок оцінок параметрів та статистичних характеристик в різних умовах проведення експериментів, розробкою рекомендацій щодо вибору цих умов, є актуальними не тільки з наукового погляду, але і для практичного застосування в народному господарстві.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках досліджень, що проводилися на кафедрі „Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів” Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут” у 2003 - 2006 рр., зокрема в науково-дослідницьких роботах за темами: Д501-39/03 „Високоефективні технології для обробки вимірювальної інформації в супутникових радіонавігаційних мережах, радіотехнічних комплексах управління та засобах дистанційного дослідження та оцінювання параметрів природних середовищ земної поверхні з аерокосмічних носіїв” (№ Д/Р 0103U005068); Д501-40/06 „Методи та технології дистанційних досліджень поверхневих та підповерхневих середовищ з підвищеною проникливою здатністю для радіохвиль” (№Д/Р 0106U001067).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є розробка і дослідження методів підвищення точності оцінок параметрів поверхонь при розв'язанні багатопараметричних задач на основі оптимізації обробки сигналів в активних, пасивних і комбінованих активно-пасивних системах дистанційного зондування, а також обґрунтування вибору умов проведення дистанційних аерокосмічних досліджень природних середовищ, що забезпечують мінімальні похибки вимірів, для конкретних моделей розсіювання і випромінювання.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

1. Обґрунтувати методику виявлення потенційних можливостей систем дистанційного зондування при використанні існуючих електродинамічних та регресійних моделей земних покривів на основі аналізу оптимальних алгоритмів обробки полів розсіяного та власного випромінювань природних середовищ, особливостей їх функціонування та квазіоптимальної реалізації.

2. Синтезувати алгоритми сумісної оптимальної обробки полів розсіювання і власного випромінювання земних покривів при комплексуванні активних і пасивних систем дистанційного зондування.

3. Розрахувати і дослідити потенційні точнісні характеристики оцінок електрофізичних параметрів і статистичних характеристик поверхонь при їх багатопараметричних вимірах в активно-пасивних системах дистанційного зондування для конкретних моделей полів розсіяння та власного радіотеплового випромінювання.

4. Розробити рекомендації щодо вибору умов проведення аерокосмічних експериментів при активному, пасивному і комплексному дистанційному зондуванні, що забезпечують мінімальні похибки багатопараметричного оцінювання стану для конкретних моделей поверхонь.

5. Виконати статистичне моделювання алгоритмів обробки полів розсіювання і власного радіотеплового випромінювання та провести порівняльний аналіз результатів моделювання з теоретичними результатами.

Об'єктом дослідження є методи та засоби дистанційного зондування природних середовищ.

Предметом дослідження є методи виявлення потенційних можливостей активних, пасивних та комбінованих активно-пасивних систем дистанційного зондування та підвищення точнісних характеристик багатопараметричних оцінок стану природних середовищ на основі розв'язання задач оптимальної обробки полів їх розсіяного та власного випромінювання з використанням відповідних електродинамічних та емпіричних моделей.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційних досліджень використані наступні методи:

1.Методи теорії оцінок і статистичних рішень.

2.Методи оптимальної статистичної обробки сигналів в радіотехнічних системах.

3.Методи комп'ютерного статистичного моделювання та обробки даних комп'ютерних експериментів.

Достовірність результатів і висновків, отриманих в роботі, обумовлена коректним використанням методів дослідження, розв'язанням оптимізаційних задач з використанням перевірених критеріїв і відомих, добре апробованих моделей, строгим математичним аналізом і відповідними розрахунками та дослідженнями можливих похибок вимірювань, а також збігом результатів моделювання і теоретичних результатів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримав подальший розвиток метод виявлення потенційних можливостей активно-пасивних систем дистанційного зондування при застосуванні різноманітних моделей розсіювання та власного випромінювання земної поверхні з урахуванням стану атмосфери.

2. Вперше досліджені потенційні точності багатопараметричного оцінювання стану поверхонь при активному дистанційному зондуванні, а також при пасивному і комбінованому активно-пасивному дистанційному зондуванні з урахуванням впливу підсвічування випромінюванням навколишнього середовища.

3. Вперше розраховані та досліджені граничні похибки сумісних оцінок питомої ефективної поверхні розсіювання і радіояскравісної температури з урахуванням їхнього кореляційного зв'язку, а також виконано порівняльний аналіз потенційних точнісних характеристик активних, пасивних і комплексних систем дистанційного зондування.

4. Отримали подальшій розвиток рекомендації щодо вибору умов проведення експериментів, що забезпечують мінімальні похибки багатопараметричних вимірювань в активних, пасивних та комбінованих системах дистанційного зондування для конкретних моделей природних середовищ.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність результатів досліджень, що представлені у дисертаційній роботі, полягає в тому, що вони дозволяють підвищити точність вимірів, і, отже, надійність інтерпретації даних дистанційного зондування за рахунок оптимізації обробки полів розсіяного та власного радіотеплового випромінювання, а також за рахунок комплексування активних і пасивних систем дистанційного зондування. Представлені методи та алгоритми розрахунку і аналізу потенційних точностей оцінювання параметрів природних середовищ можуть бути використані при розробці рекомендацій щодо вибору умов проведення експериментів, при яких буде забезпечена максимальна чи задовільна точність вимірів. Цю методику може бути застосовано при використанні широкого класу емпіричних та електродинамічних моделей природних середовищ, як вже існуючих, так і тих, що будуть створені в майбутньому. Запропонована методика розрахунку та аналізу граничних похибок сумісних оцінок питомої ефективної поверхні розсіювання та радіояскравісної температури з урахуванням їхнього кореляційного зв'язку дозволяє підвищити точність оцінок параметрів поверхонь в активно-пасивних системах дистанційного зондування.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати, висновки і рекомендації отримані автором самостійно. Роботи [1, 2, 3] були опубліковані без співавторів. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачем виконано: розрахунок та аналіз граничних похибок багатопараметричного оцінювання стану поверхонь, що задовольняють функціонально-детермінованим [4, 5, 6], стохастичним [7] моделям при активному, пасивному дистанційному зондуванні та комплексному дистанційному зондуванні [8]; розробка рекомендацій щодо забезпечення максимальної точності оцінювання параметрів [9, 10, 11]; розрахунок коефіцієнтів кореляції між яскравісною температурою та коефіцієнтом розсіювання для поверхні з дрібномасштабними та крупними нерівностями [12]; моделювання розроблених алгоритмів оптимальної обробки [5, 6, 7, 13].

Апробація результатів наукового дослідження. Апробація результатів дисертаційних досліджень проводилася на засіданнях і семінарах кафедри "Проектування радіоелектронних систем літальних апаратів" Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут". Крім того, доповіді за темою дисертації були зроблені на наступних конференціях: Міжнародна науково-технічна конференція „Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", 2004 р., 2005 р.); Науково-технічна конференція Харківського університету повітряних сил ім. Івана Кожедуба (м. Харків, Харківський університет повітряних сил, 2005 р., 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи достатньо повно викладено в 13 опублікованих працях, з яких 7 - статті в наукових спеціальних виданнях згідно з переліком ВАК України, 4 публікації в матеріалах і тезах наукових конференцій, 2 статті у міжнародних науково-технічних журналах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і двох додатків. Повний обсяг дисертації складає 195 сторінок, в тому числі ілюстрації на 6 окремих сторінках, список використаних джерел із 105 найменувань на 11 сторінках та два додатка на 31 сторінці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність задачі підвищення точності оцінювання параметрів та статистичних характеристик земних покривів в активних, пасивних та комбінованих системах дистанційного зондування (ДЗ). Визначено об'єкт і предмет досліджень, сформульовано мету і згідно з поставленою метою перелічено задачі дослідження, описано методи дослідження, відзначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Наведено дані про публікації, апробації та особистий внесок автора.

У першому розділі представлений огляд і аналіз вітчизняних та зарубіжних наукових публікацій стосовно розв'язання задач підвищення точності оцінювання параметрів природних середовищ в активних, пасивних та комбінованих активно-пасивних системах дистанційного зондування. Даний розділ також містить основну теоретичну інформацію, необхідну для досягнення мети роботи і вирішення поставлених задач. Розглянуто основні поняття і характеристики розсіювання та власного випромінювання природних середовищ в задачах активної та пасивної радіолокації, встановлено зв'язок між ними.

Вихідну апріорну інформацію у вигляді аналітичного опису прийнятих полів або їхніх статистичних еквівалентів, інформацію про зв'язок амплітуд або потужностей сигналів, що реєструються, з електрофізичними параметрами і статистичними характеристиками природних середовищ надають відповідні моделі. Для забезпечення достовірності результатів дисертації в першому розділі розглянуто та проаналізовано спеціально підібрані найбільш розроблені та найчастіше використовувані моделі природних середовищ. Не дивлячись на широке застосування багатьох із цих моделей, їх потенційні можливості практично мало досліджені. Ці досліди можливо виконати головним чином на шляху вирішення сучасних оптимізаційних задач обробки сигналів. Також розглянуто ряд сучасних нових моделей, які далі використані в роботі.

Далі складені та досліджені рівняння спостереження при активному та пасивному дистанційному зондуванні у вигляді адитивної суміші корисного сигналу та завади. Це моделі сигналів, що приймаються активними та пасивними системами, в які було відображено („вмонтовано”) електродинамічні та регресійні моделі природних середовищ. При активному дистанційному зондуванні використані функціонально-детерміновані та стохастичні моделі сигналів, розсіяних поверхнями. У стохастичних моделях сигнали, відбиті від поверхні, розглядаються як випадкові. Використання таких моделей цілком виправдано, тому що поле в області прийому формується великою кількістю незалежних розсіювачів. Для статистичного опису цього поля досить знати його кореляційні або спектральні властивості, тому оцінювані параметри поверхні є параметрами відповідних кореляційних функцій або енергетичних спектрів.

Моделі рівнянь спостереження при пасивному ДЗ також розроблені як стохастичні, тому що теплове випромінювання в області прийому є сумою хаотичних випромінювань великої кількості елементарних осциляторів досліджуваного середовища, і можна вважати, що ці процеси гаусові. Тому шукані параметри є не тільки аргументами залежностей сукупності полів, що реєструються у точці прийому, але і аргументами кореляційних функцій і відповідних спектральних характеристик щільності потужності.

Другий розділ дисертації присвячений алгоритмам оптимальної обробки розсіяних полів та дослідженню якісних показників оцінок електрофізичних параметрів поверхонь при активному дистанційному зондуванні. Пошук алгоритму оптимальних оцінок параметрів виконано в рамках методу максимальної правдоподібності. Система нелінійних рівнянь для оцінок невідомих параметрів має вигляд

, (1)

де - відома функціональна залежність (результат розв'язання прямої задачі розсіювання для обраної електродинамічної моделі поверхні);

- значення кореляційного інтеграла, сформованого оптимальною вимірювальною системою (* - знак комплексного спряження);

- енергетичне співвідношення сигнал/шум.

Для ефективного оцінювання параметрів поверхні в ході експерименту необхідні попередній розрахунок і аналіз потенційної точності оцінки. Граничні похибки виміру параметрів визначають діагональними елементами матриці, зворотної до інформаційної матриці Фішера. Елементи інформаційної матриці визначаються характером нелінійних зв'язків комплексних амплітуд сигналів із шуканими параметрами, які, у свою чергу, визначаються електродинамічними моделями поверхонь, для котрих у результаті розв'язання задач розсіювання знаходять електромагнітні поля в точці прийому. Аналіз елементів цієї матриці, по-перше, дозволяє оцінити можливість розв'язання системи нелінійних рівнянь при заданій сукупності умов. По-друге, дозволяє визначити умови, при яких похибки виміру будуть мінімальними, зокрема, при яких кутах падіння радіохвиль на поверхню розділу і при яких поляризаціях можна забезпечити задовільні або найбільші точності виміру параметрів поверхні.

В цьому розділі розраховано та проаналізовано граничні похибки багатопараметричного оцінювання стану функціонально-детермінованих моделей природних середовищ, зокрема плоскої поверхні та поверхні з дрібномасштабними нерівностями. Крім того, проаналізовано потенційну точність багатопараметричних оцінок стану стохастичних електродинамічних моделей поверхонь з дрібномасштабними та крупними нерівностями. Згідно з результатами досліджень сформульовано рекомендації щодо вибору кутів спостереження, при яких забезпечуються мінімальні граничні похибки. Для підтвердження отриманих теоретичних розрахунків виконано математичне моделювання досліджених алгоритмів.

В роботі також виконані дослідження потенційних точностей оцінювання параметрів емпіричних моделей поверхонь при активному дистанційному зондуванні, результати яких наведені в додатку А. Для прикладу нижче представлені результати дослідження поверхні, що задовольняє емпіричній моделі Оха. Для цієї моделі виконано дослідження граничних похибок сумісної оцінки діелектричної проникності і параметра, що характеризує висоту нерівностей ( - середньоквадратична висота нерівностей, - хвильове число) при реєстрації коливань горизонтальної, вертикальної та перехресної поляризацій, . Залежності похибок оцінювання та від кута візування для декількох значень діелектричної проникливості наведені: - на рис. 1 та - на рис. 2.

Рис. 1. Похибки оцінок Рис. 2. Похибки оцінок

Похибки оцінки діелектричної проникності і висоти нерівностей максимальні при кутах, близьких до та , та приймають малі значення при (рис. 1, 2).

У третьому розділі дисертаційної роботи досліджені якісні показники багатопараметричних оцінок стану природних середовищ при пасивному дистанційному зондуванні як без урахування, так і з урахуванням впливу підсвічування атмосферою. Рівняння спостереження розглянуто у вигляді суми корисного сигналу та завади. Заваду типу „білий шум” вводимо на виході лінійного тракту приймача з коефіцієнтом передачі . Інтенсивність цієї завади вважаємо дуже малою, але її доцільно врахувати, тому що вона буде виконувати функцію статистичного регуляризатора при вирішенні відповідної зворотної задачі. Основний внесок у завадову складову сигналу вносять завади, які характеризуються фоновою компонентою спектрально-кутової щільності комплексної амплітуди та також проходять через фільтр . Будемо вважати надалі, що процеси на виході лінійного тракту приймача незалежні між собою і є гаусовськими.

З урахуванням вищенаведеного, рівняння правдоподібності запишеться у такому вигляді

, (2)

де , - кореляційна та зворотна кореляційна функція, що знаходиться з рівняння звертання.

Задача оптимального оцінювання параметрів випромінюючої поверхні зводиться до задачі оцінки параметрів енергетичного спектру

, (3)

де - антенна яскравість.

Система рівнянь для оцінки невідомих параметрів має такий вигляд

, (4)

де - періодограма Фур'є, ;

- інтервал часу спостереження - тої реалізації.

Ця система рівнянь є вихідною для розв'язання задач багатопараметричних оцінок стану поверхонь, у тому числі і з врахуванням їх підсвічування атмосферою.

Далі в роботі розраховано граничні похибки багатопараметричного оцінювання стану природних середовищ, які задовольняють моделям плоскої поверхні, поверхні з дрібномасштабними нерівностями і плоскої поверхні розділу з випадково-неоднорідною зміною показника заломлення підповерхневого середовища за їх власним випромінюванням. Дослідження виконані з урахуванням впливу навколишнього середовища. Крім того, в роботі запропоновано методику дослідження потенційних точностей сумісного оцінювання параметрів поверхні та вологозапасу безхмарної атмосфери на основі регресійної моделі „атмосфера-підстилаюча поверхня”. Нижче наведені залежності похибок сумісних оцінок діелектричної проникності плоскої поверхні (рис. 3) та вологозапасу атмосфери (рис. 4) від кута візування при довжині хвилі см при реєстрації коливань горизонтальної та вертикальної поляризацій (розглянуто три поверхні з ).

Рис. 3. Похибки оцінок Рис. 4. Похибки оцінок

при при

На рис. 5, рис. 6 наведені аналогічні залежності при см. Прийняті опорні значення параметрів: термодинамічна температура , г/см², співвідношення між часом інтегрування і ефективною шириною смуги пропущення частот лінійного тракту радіометра , співвідношення сигнал/шум .

За результатами розрахунків сформульовано рекомендації щодо вибору умов проведення експериментів, для підтвердження теоретичних даних виконано математичне моделювання.

Рис. 5. Похибки оцінок Рис. 6. Похибки оцінок

при при

Отримані результати свідчать про те, що точність сумісної оцінки діелектричної проникності і вологозапасу атмосфери різко погіршується при кутах, близьких до кутів Брюстера. Точність оцінки практично не залежить від довжини хвилі (рис. 3, 5), а точність оцінки вологозапасу краще при см (рис. 4, 6). Тому для оцінювання діелектричної проникності і вологозапасу безхмарної атмосфери можна порекомендувати довжину хвилі см і кути візування .

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню методів комплексування обробки полів розсіяного та власного випромінювання при активно-пасивному дистанційному зондуванні природних середовищ. В ньому виконано постановку задачі комплексування в загальному випадку, досліджено залежність дисперсії сумісних (комплексних) оцінок двох параметрів від коефіцієнта кореляції між ними. Показано, що дисперсії оцінок корельованих параметрів порівняно повільно зменшуються з ростом коефіцієнта кореляції в інтервалі та значно швидше - при значеннях від до . Причому швидкість зменшення дисперсії збільшується з ростом апріорної невизначеності.

При комплексуванні активних і пасивних систем дистанційного зондування виникає необхідність визначення кореляційного зв'язку характеристик відбитих сигналів і сигналів власного випромінювання, тому в роботі розраховано та досліджено статистичний зв'язок яскравісної температури радіотеплового випромінювання та коефіцієнта відбиття. При оцінках коефіцієнтів відбиття і радіояскравісних температур як функцій координат підстилаючої поверхні, має місце часткове усереднення характеристик потужності прийнятих коливань. Тому їхню випадковість пов'язуємо в роботі не з природою хаотичного випромінювання або розсіювання, а з випадковим характером їхніх змін як статистичних характеристик нестаціонарних випадкових процесів (на рівні полів розсіювання та власного випромінювання цього зв'язку немає). Саме в цьому наближенні за міру статистичного зв'язку прийнято коефіцієнт кореляції

, (5)

де - центровані значення коефіцієнта відбиття та яскравісної температури, а - їх дисперсії.

Кореляційний зв'язок досліджено для випадку, коли коефіцієнти зворотного розсіювання та інтегрального розсіювання дорівнюють

, (6)

, (7)

де - комплексний коефіцієнт розсіювання площадки ;

- горизонтальна проекція вектора розсіювання.

Таким чином, задача визначення коефіцієнта кореляції зводиться до розрахунку різних змішаних статистичних моментів четвертого порядку коефіцієнта зворотного розсіювання і коефіцієнта інтегрального розсіювання. Їхні розрахунки показують, що коефіцієнт кореляції є пропорційним малому параметру (відношенню довжини хвилі до площини досліджуваної площадки).

Показано, що доцільно визначити кореляційний зв'язок яскравісної температури і коефіцієнта відбиття як умовних середніх щодо фіксованих значень випадкових параметрів поверхонь. В цьому наближені в роботі виконано дослідження коефіцієнта кореляції між середніми характеристиками для моделі двохмасштабной поверхні як функції від кута візування при оцінюванні стану поверхонь з різними значеннями діелектричної проникливості. Для тієї ж поверхні розраховані та досліджені залежності дисперсій результуючих оцінок питомої ефективної поверхні розсіювання (ЕПР) і радіояскравісної температури від кутів візування з урахуванням кореляційного зв'язку між ними.

В четвертому розділі також проаналізовані оптимальні алгоритми комплексної обробки полів розсіяного і власного радіовипромінювання стосовно багатопараметричного оцінювання стану природних середовищ. В якості рівняння спостереження прийнято векторну функцію, що включає в себе сигнали розсіяного і власного випромінювань, . Для сукупності незалежних полів апостеріорний розподіл щільності імовірності прийнятих полів запишемо у виді

. (8)

Диференціюючи цю апостеріорну щільність імовірності по параметрах і прирівнюючи отриману похідну до нуля, одержимо систему нелінійних рівнянь для оцінок параметрів. Якщо в якості оцінюваних параметрів прийняті елементи коваріаційної матриці розсіювання та спектральні яскравості чи (або пропорційні їм яскравісні температури и ) система має вигляд

, (9)

де - елементи матриці, утворені послідовно з перших N=n² компонент вектора (, - зворотна кореляційна функція);

- сигнальна частина вихідних ефектів оптимального вимірювача, (матричний аналог функції невизначеності системи);

- матриця опорних сигналів;

- вихідні ефекти.

Далі у цьому розділі для випадку сумісної реєстрації власного випромінювання поверхні і розсіяного сигналу проаналізовані точнісні характеристики оцінювання параметрів, виконане статистичне моделювання оптимальних алгоритмів оцінки при комплексуванні і порівняльний аналіз граничних похибок оцінювання параметрів поверхонь при активному дистанційному зондуванні, при пасивному зондуванні та при комплексуванні. Всі дослідження виконано як без урахування впливу підсвічування атмосферою, так і з урахуванням цього фактору.

Для прикладу на рис. 7 наведені залежності граничних похибок оцінок дійсної частини комплексної діелектричної проникності плоскої поверхні при комплексуванні , при м, К. На рис. 8 наведені залежності граничних похибок оцінок уявної частини - .

На рис. 9, 10 представлені залежності похибок оцінювання дійсної та уявної складових комплексної діелектричної проникності плоскої поверхні від кута візування () при пасивному дистанційному зондуванні , ; активному зондуванні , ; при комплексній оцінці діелектричної проникності , та при комплексному сумісному оцінюванні вектора параметрів - , .



Рис. 7. Похибки оцінок Рис. 8. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

Рис. 9. Похибки оцінок Рис. 10. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

при різних методах ДЗ при різних методах ДЗ

Аналогічні дослідження виконані для поверхні з дрібномасштабними нерівностями. На рис. 11, 12 показані залежності граничних похибок оцінювання дійсної та уявної частини діелектричної проникності від кута візування при комплексному зондуванні поверхні з дрібномасштабними нерівностями.



Рис. 11. Похибки оцінок Рис. 12. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

На рис. 13 показані залежності похибок оцінювання дійсної частини поверхні з дрібномасштабними нерівностями при різних методах дистанційного зондування: при пасивному дистанційному зондуванні , активному зондуванні , при комплексній оцінці діелектричної проникності та при комплексному сумісному оцінюванні параметрів і - . Залежності граничних похибок оцінювання уявної частини від кута візування при різних методах дистанційного зондування показано на рис. 14.

За результатами досліджень сформульовані рекомендації щодо вибору умов проведення експериментів для забезпечення максимальної точності оцінювання параметрів земних покривів та виконано математичне моделювання розглянутих алгоритмів для підтвердження теоретичних результатів.



Рис. 13. Похибки оцінок Рис. 14. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

при різних методах ДЗ при різних методах ДЗ

Висновки

В результаті дисертаційних досліджень вирішено важливу наукову задачу розробки і дослідження методів підвищення точності оцінок параметрів поверхонь при розв'язанні багатопараметричних задач в активних, пасивних та комбінованих системах дистанційного зондування. В результаті проведених у роботі досліджень отримані такі основні наукові та практичні результати:

1. Виконаний аналіз сучасних підходів до розв'язання задач підвищення точності оцінок параметрів природних середовищ при активному, пасивному дистанційному зондуванні та при їх комплексуванні, визначена область питань, що вимагають більш детального і глибокого вивчення, сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження.

2. Стосовно до розв'язання оптимізаційних задач обробки розсіяного і власного радіотеплового випромінювання поверхонь проаналізовані основні поняття і визначення відбивних і випромінювальних характеристик природних середовищ в задачах активної і пасивної радіолокації, встановлений зв'язок між ними.

3. Досліджені найбільш часто застосовувані та адекватні моделі поверхонь, що пов'язують характеристики розсіювання і випромінювання з параметрами поверхні і атмосфери, та рівняння спостереження при активному і пасивному дистанційному зондуванні. Зокрема, встановлено зв'язок між сигналами розсіювання та характеристиками моделей плоскої поверхні, поверхонь з дрібномасштабними та крупними нерівностями, моделі двохмасштабної поверхні, а також для моделі Оха, експоненціальної моделі, емпіричних моделей поверхонь з рослинністю та моделі Дюбуа. Визначено зв'язок сигналів власного випромінювання з характеристиками ряду електродинамічних та емпіричних моделей (моделі морської поверхні з піною, моделі ).

4. На основі аналізу оптимальних алгоритмів обробки полів розсіяного та власного випромінювань земних покривів, особливостей їхнього функціонування та квазіоптимальної реалізації дістала подальшого розвитку методика досліджень потенційних можливостей систем дистанційного зондування при використанні різних моделей поверхонь. Складено системи нелінійних рівнянь для оцінки параметрів природних середовищ на основі зв'язку параметрів розсіяного чи випромінюваного поля і характеристик досліджуваної поверхні, який встановлено за допомогою моделі цієї поверхні.

5. Виконаний розрахунок і аналіз потенційних точностей оцінювання електрофізичних параметрів земних покривів, що задовольняють функціонально-детермінованим моделям плоскої поверхні та поверхні з дрібномасштабними нерівностями. При оцінці параметрів плоскої поверхні похибки мінімальні в області кутів , ці значення можна порекомендувати для проведення експериментів. Мінімальні значення похибки оцінок параметрів поверхні з дрібномасштабними нерівностями мають місце при тих же кутах .

6. Досліджені граничні похибки багатопараметричного оцінювання стану поверхонь, що описуються стохастичними моделями. За результатами дослідження сформульовані наступні рекомендації: при розв'язанні задачі оцінювання параметрів поверхні з крупними нерівностями та поверхні з дрібномасштабними нерівностями кути візування, при яких похибки мінімальні .

7. Вперше виконано багатопараметричне оцінювання стану плоскої поверхні і поверхні з дрібномасштабними нерівностями за їх власним випромінюванням з урахуванням впливу підсвічування навколишнім середовищем. Показано, що вплив атмосфери приводить до збільшення похибок оцінювання параметрів при кутах зондування більших .

8. Вперше досліджені граничні похибки оцінок електрофізичних параметрів випадково-неоднорідного підповерхневого середовища з плоскою границею розділу за його власним випромінюванням. При дослідженні такої поверхні похибки незначно збільшуються зі збільшенням кута візування, а найменші значення мають при кутах .

9. Вперше виконаний розрахунок і аналіз потенційних точностей сумісного оцінювання параметрів поверхні та вологозапасу безхмарної атмосфери на основі регресійної моделі „атмосфера-поверхня”. За результатами дослідження для оцінювання діелектричної проникності і вологозапасу безхмарної атмосфери можна рекомендувати довжину хвилі см і кути візування .

10. Удосконалена методика аналізу статистичного зв'язку математичних моделей яскравісної температури радіотеплового випромінювання і коефіцієнта відбиття. Показана доцільність визначення коефіцієнтів кореляції яскравісної температури і коефіцієнта відбиття як умовних середніх щодо фіксованих значень випадкових параметрів поверхонь. Виходячи з цих міркувань, виконаний аналіз кореляційного зв'язку для моделі двохмасштабної поверхні на горизонтальній та вертикальній поляризаціях. При цьому встановлено, що на горизонтальній поляризації коефіцієнт кореляції збільшується зі збільшенням кута візування, причому, чим більше діелектрична проникність досліджуваної поверхні, тим більше кут візування, при якому кореляція між яскравісною температурою та коефіцієнтом відбиття відсутня. На вертикальній поляризації коефіцієнт кореляції дорівнює нулю при кутах Брюстера, а при близький до одиниці.

12. Вперше досліджені граничні похибки сумісних оцінок ефективної поверхні розсіювання і яскравісної температури з урахуванням кореляційного зв'язку між ними. Встановлено, що дисперсії оцінок параметрів двохмасштабної поверхні на горизонтальній поляризації мінімальні для поверхонь з діелектричними проникливостями при кутах візування . На вертикальній поляризації похибки збільшуються при кутах візування близьких до кутів Брюстера. На обох поляризаціях похибки тим більші, чим більше апріорна невизначеність.

13. Досліджені алгоритми оптимального оцінювання параметрів поверхонь при сумісній реєстрації полів власного випромінювання і полів розсіяння при комплексуванні. Показано, що система оптимальної сумісної обробки сигналів розсіювання та випромінювання повинна містити пристрої оптимального оцінювання яскравісної температури та питомої ЕПР, пристрій для забезпечення розв'язки активного і пасивного каналу, розв'язувальний пристрій, у структуру якого мають бути включені апріорні дані про вимірювані параметри, про моделі поверхонь, дані про опорні сигнали та ін.

14. Вперше розраховані і проаналізовані показники якості вимірів електрофізичних параметрів поверхонь в активно-пасивних системах дистанційного зондування як без врахування впливу підсвічування атмосферою, так і з її врахуванням. При сумісному багатопараметричному оцінюванні комплексних параметрів плоскої поверхні похибки мінімальні при кутах . При розв'язанні задачі оцінювання параметрів поверхні з дрібномасштабними нерівностями точність оцінки найкраща при кутах зондування . За рахунок впливу атмосфери похибки оцінки діелектричної проникливості збільшуються в області кутів візування . На точність оцінки комплексного параметру атмосфера практично не впливає.

15. Виконано порівняльний аналіз похибок оцінювання параметрів при активному, пасивному та комплексному дистанційному зондуванні.

При дослідженні плоскої поверхні комплексування дає виграш у порівнянні з активним і пасивним дистанційним зондуванням при кутах візування більше . При малих кутах (при прийнятих умовах) похибки майже однакові для всіх методів дистанційного зондування, крім пасивного. При прийнятих умовах експерименту похибка оцінки дійсної частини комплексної діелектричної проникливості мінімальна для при комплексуванні. В іншому діапазоні кутів виграш по точності незначний.

З порівняльного аналізу похибок оцінювання параметрів поверхні із дрібномасштабними нерівностями видно, що найменші похибки оцінки діелектричної проникливості мають місце при комплексуванні по коливанням обох поляризацій. Однак на вертикальній поляризації похибки оцінки при комплексуванні практично збігаються з результатами активного зондування при кутах більше . На горизонтальній поляризації комплексування дає виграш при кутах візування більше . Найкраща точність оцінки комплексної діелектричної проникності поверхні із дрібномасштабними нерівностями має місце при комплексній оцінці по чотирьох коливаннях. Однак при кутах більших , а для оцінки уявної частини у всьому діапазоні кутів похибки при комплексуванні практично збігаються з похибками при активному ДЗ.

Список публикацій за темою дисертації

1. Нежальская К.Н. Анализ потенциальных точностных характеристик оценивания параметров функционально-детерминированных электрофизических моделей поверхностей // Зб. наук. праць Харківського університету Повітряних сил. - Харків, 2006. - Вип. 3 (9). - С. 119-121.

2. Нежальская К.Н. Решение задачи комплексирования измерений в системах дистанционного зондирования с учетом корреляционных связей // Системи обробки інформації. - Харків: ХУПС. - 2006. - Вип. 2 (51). - С. 87-93.

3. Лёвкина К.Н. Статистическая связь параметров отражения и радиотеплового излучения земной поверхности // Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні (ІКТМ'2004): Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2004. - С. 304.

4. Волосюк В.К., Нежальская К.Н. Анализ электрофизических параметров мелкошероховатой поверхности при пассивном дистанционном зондировании // Друга науково-технічна конференція Харківського університету повітряних сил

ім. Івана Кожедуба: Матеріали конференції. - Харків: ХУПС, 2006.

5. Веласко Эррера В.М., Веласко Эррера Г., Кутуза Б.Г., Волосюк В.К., Лёвкина К.Н. Исследование качественных показателей пассивного радиозондирования случайно-неоднородной подповерхностной среды с плоской границей раздела // Успехи современной радиоэлектроники. - 2006. - №5. - С. 51-57.

6. Веласко Эррера В.М., Веласко Эррера Г., Кравченко В.Ф., Волосюк В.К., Лёвкина К.Н. Радиотепловое излучение мелкомасштабной поверхности. Исследование потенциальных точностей измерений ее электрофизических параметров // Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника. - 2006. - №7. - С. 60-69.

7. Волосюк В.К., Нежальская К.Н. Характеристики стохастических электродинамических моделей природных сред и их оценка // Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні (ІКТМ'2005): Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2005. - С. 326.

8. Волосюк В.К., Лёвкина К.Н., Морозов А.В. Исследование возможности комплексирования активной и пассивной систем при дистанционном зондировании мелкомасштабной поверхности // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - 2005. - Вып. 27. - С. 179-184.

9. Волосюк В.К., Лёвкина К.Н. Потенциальная точность определения электрофизических параметров мелкомасштабной поверхности при пассивном дистанционном зондировании // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2005. - №2(10). - С. 19-23.

10. Веласко Эррера В.М., Веласко Эррера Г., Волосюк В.К., Лёвкина К.Н., Куртов А.И. Исследование случайно-неоднородной подповерхностной среды и потенциальной точности определения ее электрофизических параметров // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2005. - №4 (12). - С 9-16.

11. Волосюк В.К., Лёвкина К.Н. Анализ электрофизических параметров мелкошероховатой поверхности при пассивном дистанционном зондировании // Перша науково-технічна конференція Харківського університету повітряних сил ім. Івана Кожедуба: Матеріали конференції. - Харків: ХУПС, 2005. - С. 172.

12. Волосюк В.К., Лёвкина К.Н., Веласко Эррера В.М. Статистическая связь математических моделей яркостной температуры радиотеплового излучения и коэффициента отражения // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - 2004. - №6(14). - С. 65-69.

Размещено на Allbest.ru