Nghiên cứu một số thuật toán điển hình ứng dụng trong ra đa mặt mở tổng hợp phân cực, giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực

Bài viết trình bày một số thuật toán điển hình trong ra đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolSAR) và giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolInSAR), các phương pháp xử lý tín hiệu ra đa dựa trên ma trận tán xạ mục tiêu, kết quả mô phỏng, ưu nhược điểm của các thuật toán, xu hướng phát triển và các ứng dụng của nó.

Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TỐN ĐIỂN HÌNH ỨNG DỤNG TRONG RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC VÀ GIAO THOA RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC Bùi Ngọc Thủy1*, Phạm Minh Nghĩa3, Lê Vĩnh Hà2, Nguyễn Phương Nam1 Tóm tắt: Bài báo trình bày số thuật tốn điển hình đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolSAR) giao thoa đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolInSAR), phương pháp xử lý tín hiệu đa dựa ma trận tán xạ mục tiêu, kết mơ phỏng, ưu nhược điểm thuật tốn, xu hướng phát triển ứng dụng Từ khóa: Ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực, Độ cao rừng, Tập kết hợp MỞ ĐẦU Khi giải toán đa mặt mở tổng hợp phân cực giao thoa đa mặt mở tổng hợp phân cực, đánh giá mức độ đặc trưng biến đổi cấu trúc phân cực tín hiệu đa bị tán xạ mục tiêu Các đặc tính liên quan đến tham số hình học điện vật lý đánh giá sở sử dụng tham số thơng tin tín hiệu nhận Đồng thời, tạo ảnh đa đặc tính cho phép nâng cao độ xác nhận dạng xác định tham số mục tiêu cao độ, kích thước, độ ẩm mục tiêu Ma trận tán xạ mục tiêu nguồn để khai thác thông tin mục tiêu cần nghiên cứu toán khác (phát hiện, nhận dạng phân loại) đa đại Ngày nay, đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolSAR) giao thoa đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolInSAR) trở thành kỹ thuật hiệu để giải thích rõ chế tán xạ PolInSAR kỹ thuật viễn thám mới, kết hợp lợi phân cực SAR (Pol SAR) giao thoa SAR (InSAR) Nó khơng cải thiện độ xác phép đo địa hình, mà cung cấp thông số vật lý liên quan đến chế tán xạ Đặc biệt, liệu PolInSAR có ích việc khai thác đặc tính mục tiêu tự nhiên nhân tạo Do vậy, xác định tham số mục tiêu sử dụng ảnh giao thoa đa mặt mở tổng hợp phân cực mở hướng cho việc ứng dụng kỹ thuật viễn thám sóng siêu cao tần quân sự, quản lý tài ngun mơi trường, khí tượng thủy văn… Hướng nghiên cứu phát triển mạnh nước Nga, Hoa Kỳ, Canada, Pháp, Nhật, Đức, nhiều nước có khoa học cơng nghệ tiên tiến khác giới nhờ ưu điểm vượt trội CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA POLINSAR 2.1 Ma trận hiệp phương sai PolSAR Sóng điện từ trường phát từ anten phát đa, truyền môi trường Sau tán xạ mục tiêu, phần lượng truyền ngược trở Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 73 Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa anten thu Trong hệ tọa độ phân cực (H, V), mối quan hệ sóng tới sóng tán xạ biễu diễn ma trận tán xạ Ma trận tán xạ [1]: S  S    Shh  Shv   k  V ([ S ])  Trace([ S ] )  Svv  (1)  hv Hệ thống SAR phân cực cung cấp thông tin mục tiêu thông qua ma trận tán xạ phức 2x2 Đối với trường hợp tán xạ ngược môi trường thuận nghịch, véc tơ mục tiêu tán xạ ngược biểu diễn sau [2]:  T (2) k L   S hh S hv S vv  Trong đó, S hh , S hv Svv hệ số tán xạ ngược kênh phân cực HH, HV VV (theo chiều ngang H theo chiều đứng V) Ma trận hiệp phương sai PolSAR xác định từ tích ngồi véc tơ tán xạ ngược liên hợp phức chuyển vị nó, biểu diễn sau:  Shh     * C   kL kL*T   Shv Shh   *  Svv Shh * Shh Shv Shv * Svv Shv    *  Shv Svv   Svv  * Shh Svv (3) Với toán tử  biểu thị mức lấy trung bình tồn trình xử lý liệu    thể toán tử liên hợp phức Kỹ thuật phân tích mục tiêu theo mơ hình tán xạ cơng cụ hữu ích quan trọng việc xác định thông tin mục tiêu như: hình dạng, cấu trúc, thuộc tính địa vật lý, góc định hướng mục tiêu 2.2 Nguyên lý PolInSAR Hình Nguyên lý SAR giao thoa phân cực Người ta sử dụng hai ra-đa phân cực quét mục tiêu, thời 74 B N Thủy, … , N P Nam, “Nghiên cứu số thuật toán… phân cực.” Nghiên cứu khoa học công nghệ điểm khác thời điểm cách khoảng cách gọi đường sở (B) Do sai lệch đường quét, thời gian quét, tạo pha giao thoa phân cực hai ảnh ra-đa phân cực (6) pha giao thoa sở quan trọng để ước lượng độ cao mục tiêu    ki1  - Vec tơ tán xạ giao thoa phân cực [1]: k     (4)  ki  Với i = P L    T - Ma trận hiệp phương sai T   k k *T   *1T (5) T2   Trong đó,  T1  T2  ma trận Hermit, mơ tả thuộc tính phân cực mục tiêu thu từ hệ thống PolSAR riêng lẻ,    ma trận phức phi- Hermitian chứa thông tin giao thoa phân cực mục tiêu Sự kết hợp giao thoa phân cực hệ thống PolInSAR mô tả hàm phân cực hai ảnh biểu diễn sau:  *T   *T           1,       *T  ;  1,    (6)     1*T T1 1 *2T T2  T     Trong đó,      véc tơ phức nguyên trị kênh phân cực,    (1 , 2 ) hệ số kết hợp giao thoa phức liệu PolInSAR MỘT SỐ THUẬT TỐN ĐIỂN HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Thuật toán tán xạ ba thành phần Freeman Kỹ thuật phân hoạch Freeman sử dụng ba thành phần tán xạ để mô tả tương tác đối tượng với sóng đa vùng tự nhiên đô thị Như vậy, kỹ thuật phân hoạch Freeman thực phân hoạch ma trận hiệp phương sai PolSAR thành ba ma trận tương ứng với tán xạ trực tiếp, tán xạ nhị diện tán xạ khối [2] C     f s Cs   f d Cd   f v Cv   f s   *       0   fd         3   0   f v 0  (7)  1   Công suất ba thành phần tán xạ xác định sau:  Ps Pd  Pv    f s     f 1    d fv   (8) Trong đó, f s , f d fv hệ số phân tích ba thành phần tán xạ: trực tiếp, nhị diện khối   tham số mơ hình tán xạ trực tiếp nhị diện Freeman giả định phản xạ đối xứng khơng giải thích hồn tồn chế tán xạ có ma trận hiệp phương sai Ngoài ra, phương trình giải trực tiếp tham số chưa biết f s , f d , f v   ln khơng đảm bảo hồn tồn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 75 Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa kết vật lý (công suất thành phần phải dương) Hơn nữa, từ (7) ta thấy Cv  số, theo Freeman giả định thành phần tán xạ khối điểm ảnh [3] Tuy nhiên, phân tán ngẫu nhiên rõ ràng chiếm ưu lĩnh vực có thảm thực vật, điều chỉnh không thay đổi việc giải thích chất lượng tán xạ cảnh cách đáng kể Kết bất ngờ cho thấy phần lớn điểm ảnh vùng thảm thực vật kết thúc với giá trị riêng âm sau trừ tán xạ từ thảm thực vật theo đề nghị Freeman Durden [2] Hình Theo tính tốn Freeman Durden đề xuất 3.2 Thuật toán ESPRIT Thuật toán ước lượng tham số tín hiệu thơng qua vòng lặp bất biến ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) mở rộng để phân tích liệu SAR như: tổng kết hợp liệu SAR chế tán xạ khác [4] - Hệ số tán xạ định nghĩa sau:  R xx       T k k H ; k   s1T , s2T  (9) - Sau phân rã lần một: R xx   m Rm (10) m 1 - Kết hợp giá trị riêng vectơ riêng:  Ex    Es   1 e1 , , d ed      Ey  (11) - Áp dụng phân rã lần hai:  E*  E xy* Exy   x*   Ex E y   E  E *T  E y  76 (12) B N Thủy, … , N P Nam, “Nghiên cứu số thuật toán… phân cực.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ - Sau E phân chia thành ma trận dxd sau: E12  E E   11   E21 E22  Khi tính toán ma trận E12, bậc ma trận E12 d: Chúng ta có ma trận  sau:    E12 E221 (13) (14) - Các giá trị riêng phức cơng thức  ta có: 1, 2 ,  d , Pha tán xạ có m tính sau: m  arg(m ) (15) Khi pha giao thoa ước lượng ta tính độ cao tán xạ cục lớp tán mặt đất Độ cao rừng xác định sau: h ru n g  v  s (16) kz Trong đó, tham số v, s pha giao thoa tán xạ khối tán xạ bề mặt, kz hệ số sóng đứng (của L-band) Hình Lỗi biên độ giá trị riêng tách thuật toán ESPRIT pha khác biệt chúng Hình (a) ESPRIT thông thường, (b) ESPRIT sửa lỗi Ban đầu chọn hàm phân bố xác suất thân cành (hình 3), tính tốn ma trận hiệp phương sai [Cv] Sau áp dụng mơ hình phân rã tán xạ [Cv] đánh giá fv Kế tiếp xử lý loại bỏ tán xạ khối từ ma trận [C] ta ma trận lại [Cconlai]:  Cv jv e Cv Cconlai   C   fv  e  jv Cv   Cv  (17) Áp dụng phương pháp này, không thu xác tương đối ước lượng chiều cao rừng mà ước lượng đóng góp lượng thành phần tán xạ Ma trận [Cconlai] lựa chọn thành phần tán xạ khối phù hợp để sửa lỗi (hình 4.b) Nếu sai lặp lại từ đầu tìm kết phù hợp để sửa lỗi Tóm lại, Kỹ thuật ESPRIT [5] phát trung tâm tán xạ cục tương ứng với lớp tán mặt đất khu vực rừng độ xác phát Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 77 Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa kỹ thuật thấp vùng rừng rậm thành phần tán xạ khối mạnh 3.3 Thuật toán dựa nguyên lý tập kết hợp Đối với trường hợp tán xạ ngược môi trường thuận nghịch, véc tơ tán xạ ngược Pauli hệ thống PolSAR trình bày công thức (2, 5, 6) Trong hai thập kỷ qua, có nhiều phương pháp để ước lượng tham số địa hình mặt đất, nhiên phương pháp có chung nhược điểm số lượng phép tính lớn Với mục đích giảm độ phức tạp tính tốn nâng cao độ xác ước lượng tham số địa hình, việc sử dụng nguyên lý tập kết hợp để ước lượng trực tiếp tham số địa hình phù hợp Tập kết hợp PolInSAR hiểu đơn giản phép chiếu kết hợp rút gọn lên mặt phẳng kết hợp phức Ma trận kết hợp rút gọn PolInSAR phân tích thành tổng ba ma trận tương ứng với ba thành phần tán xạ: tán xạ khối, tán xạ nhị diện tán xạ trực tiếp từ bề mặt: (18)   f s e js Ts   f d e jd Td   f v e jv Tv  Trong đó, i ,  i  s , d , v  pha giao thoa thành phần tán xạ trực tiếp từ bề mặt, tán xạ nhị diện tán xạ khối  T s  ,  T d   Tv  ma trận kết hợp ba thành phần tán xạ tương ứng, định nghĩa [7] Dạng rút gọn ma trận kết hợp liệu PolInSAR có dạng sau [6]:  T 1 T 1    11    21    12  22 0      33  (19)   Gọi w   *TT   véc tơ phức nguyên trị cải tiến Thay w vào (6) ta có:  T        e j  w*T  w,  w 1 (20) Ma trận  có ba trị riêng  1,     33 , giả sử arg     arg    Dựa tính chất ma trận kết hợp rút gọn (20), ta có tập kết hợp liệu PolInSAR sau: (21)  app  w*T  w : w*T w  1, w    Phương trình (21) có dạng tương tự dạng cự ly số ma trận vuông A Do vậy, cự ly số ma trận  xem vùng tập kết hợp Pha giao thoa bề mặt đất xác định sau: 0  arg 2  31 L (22) với L nghiệm phương trình bậc 78 B N Thủy, … , N P Nam, “Nghiên cứu số thuật toán… phân cực.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Cuối cùng, độ cao rừng xác định hiệu pha tán xạ tán với pha bề mặt đất, (23) hv  v  0 kz   v     R sin  4 B cos     (23) Trong đó,  góc sóng xạ trục đứng, R khoảng cách đa mục tiêu,  góc lệch đường sở trục ngang,  bước sóng sóng điện từ (a) (b) Hình (a) Ảnh Pauli khu vực rừng khảo sát, (b) Đồ thị so sánh độ cao rừng hai thuật toán Thuật toán hỗn hợp [6] đánh giá với liệu mơ có tham số sau: f = 1.3GHz, góc tới 30 độ, độ cao thực rừng 18m, mật độ rừng 360 cây/Ha Giả định rừng bố trí địa hình phẳng Hiệu thuật toán sử dụng nguyên lý tập kết hợp đánh giá với liệu mô tạo từ phần mềm PolSARProSim [7] KẾT LUẬN Bài báo trình bày tổng quan đa mặt mở tổng hợp phân cực giao thoa đa mặt mở tổng hợp phân cực có ưu điểm mà đa truyền thống khơng thể có Nghiên cứu đưa số thuật toán điển hình nhằm nâng cao độ xác ước lượng độ cao mục tiêu tự nhiên từ liệu PolSAR PolInSAR Đưa số kết mơ thuật tốn việc cải thiện độ xác ước lượng độ cao rừng pha địa hình, khơi phục trực tiếp tham số khác rừng như: tính dị hướng, mức độ định hướng ngẫu nhiên, độ suy hao sóng mơi trường Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường ngày gia tăng nhanh chóng khơng phạm vi quốc gia, mà phạm vi quốc tế Những kết thu từ công nghệ viễn thám giúp nhà khoa học nhà hoạch định sách, phương án lựa chọn có tính chiến lược sử dụng quản lý tài ngun thiên nhiên mơi trường Vì vậy, kỹ thuật viễn thám có ưu sử dụng công nghệ hàng đầu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 79 Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.R Cloude , K.P Papathanassiou, “Polarimetric SAR Interferometry”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing., 36(5): 1551-1565, 1998 [2] A.Freeman and S.L Durden “A three component scattering model for polarimetric SAR data” IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, vol.36, no.3, 1998, pp 963-973 [3] M Arri, J VanZyl and Y Kim “Adaptive model-based decomposition of polarimetric SAR covariance matrix” IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, vol 49, no 3, 2011, pp 1104-1113 [4] H.Yamada, Y.Yamaguchi, E.Rogriguez, Y.Kim, W.M.Boerner, “Polarimetric SAR interferometry for forest canopy analysis by using the super-resolution method”, Proc Of IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.2001, 1101-1103 [5] H Yamada, Y Yamaguchi, Y Kim, E Rodriguez, W M Boener, “Polarimetric SAR interferometry for forest analysis based on the ESPRIT algorithm”, IEICE Transaction on Electron, vol E 84-C, no 12, (2001), 2014, pp 1917 [6] B.N.Thuy, P.M.Nghia., “Nâng cao độ xác ước lượng độ cao rừng sử dụng ảnh đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực băng L”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, số 42, tr 45-50 [7] M.L.Williams PolSARproSim:, “A coherent, Polarimetric SAR simulation of Forest for PolSARPro”; http//earth.eo.esa.int/polsarpro, (2006) ABSTRACT RESEARCH ON A NUMBER OF TYPICAL ALGORITHMS APPLICATION FOR THE SYNTHETIC APERTURE RADAR POLARIZATION AND POLARIZATION INTERFEROMETRY In this article, some typical algorithms of the synthetic aperture radar polarization (PolSAR) and polarization interferometry (PolInSAR) methods of radar signal processing based on the target scattering matrix, simulation results, advantages and disadvantages of these algorithms, development trends and its applications are presented Keywords: Polarimetric Interferometric Synthectic Aperture Radar, Forest height, Combination set Nhận ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016 Địa chỉ: Viện Điện tử - Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Viện Ra đa - Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân * Email: thuybn78@gmail.com 80 B N Thủy, … , N P Nam, “Nghiên cứu số thuật toán… phân cực.” ... Nguyên lý PolInSAR Hình Nguyên lý SAR giao thoa phân cực Người ta sử dụng hai ra- đa phân cực quét mục tiêu, thời 74 B N Thủy, … , N P Nam, Nghiên cứu số thuật toán phân cực. ” Nghiên cứu khoa học... hình phẳng Hiệu thuật tốn sử dụng ngun lý tập kết hợp đánh giá với liệu mô tạo từ phần mềm PolSARProSim [7] KẾT LUẬN Bài báo trình bày tổng quan đa mặt mở tổng hợp phân cực giao thoa đa mặt mở. ..    Trong đó,      véc tơ phức nguyên trị kênh phân cực,    (1 , 2 ) hệ số kết hợp giao thoa phức liệu PolInSAR MỘT SỐ THUẬT TỐN ĐIỂN HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Thuật toán tán