Bài viết đề xuất phương pháp làm tăng khả năng phân biệt mục tiêu trên bề mặt nhiễu biển theo hệ số elip phân cực trung bình. Trong mỗi cell radar nhận được N mẫu giá trị hệ số elip phân cực và tính được giá trị trung bình của hệ số K trong cell radar theo N mẫu đó. Bài toán phát hiện mục tiêu trên bề mặt nền theo tham số phân cực được thực hiện với giá trị K trung bình.
Phạm Trọng Hùng, Nguyễn Trung Thành TĂNG KHẢ NĂNG PHÂN BIỆT MỤC TIÊU TRÊN BỀ MẶT BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TRUNG BÌNH HỆ SỐ ELIP PHÂN CỰC CỦA TÍN HIỆU THU Phạm Trọng Hùng, Nguyễn Trung Thành Học Viện Kỹ thuật quân Abstract—Bài báo đề xuất phương pháp làm tăng khả phân biệt mục tiêu bề mặt nhiễu biển theo hệ số elip phân cực trung bình Trong cell radar nhận N mẫu giá trị hệ số elip phân cực tính giá trị trung bình hệ số K cell radar theo N mẫu Bài tốn phát mục tiêu bề mặt theo tham số phân cực thực với giá trị K trung bình Kết mô cho thấy hiệu phương pháp đề xuất bao gồm: 1, Độ tương phản mục tiêu bề mặt tăng đáng kể; 2, Tăng xác suất phát mục tiêu bề mặt theo tham số phân cực; 3, Phương sai phân bố K nhiễu giảm xuống khoảng dB so với chưa xử lý trung bình Keywords— Radar phân cực, phát mục tiêu mặt biển, tham số phân cực I ĐẶT VẤN ĐỀ Bài toán phát mục tiêu radar sử dụng tham số phân cực mục tiêu nhiều nhà khoa học nghiên cứu, có báo [1], [2], [3] Thơng tin khai thác thêm làm tăng khả phát [2] khả phân loại [4], [5], [6] Trong [7], Krivin N.N chứng minh thực nghiệm hiệu ứng vết phân cực qua hệ số elip phân cực K sở phân cực tròn Các tác giả báo [8] tiếp nối ứng dụng kết thực nghiệm cơng trình [7] để đề xuất thuật toán phát mục tiêu bề mặt theo hệ số elip phân cực K Tuy nhiên thuật toán sử dụng [8] cho xác suất báo động lầm lớn Lý hệ số elip phân cực K nhiễu biển thăng giáng mạnh khoảng giá trị [-1: +1], với phương sai vào khoảng K 0.47 Chính điều làm cho chất lượng ảnh radar thực nghiệm báo [7] nhiều ảnh lốm đốm, gây khó khăn cho việc phân biệt mục tiêu bề mặt Kết thực nghiệm phản ánh nội dung nghiên cứu lý thuyết [8] Bài toán đặt để tăng độ tương phản mục tiêu bề mặt theo hệ số elip phân cực K cần nghiên cứu phương pháp xử lý hệ số elip phân cực cho phân bố hệ số elip K nhiễu mục tiêu+nhiễu tập trung Hay nói khác cần giảm phương sai phân bố K giữ nguyên giá trị trung bình Hiện tượng ảnh lốm đốm nguyên nhân làm giảm chất lượng ảnh đa, gây khó khăn cho việc phân biệt mục tiêu bề mặt Sự lốm đốm ảnh thăng giáng mạnh hệ số elip phân cực nhiễu Trong [9], Swartz A.A sử dụng lọc phân cực tối ưu để tăng độ tương phản mục tiêu ảnh radar Trong [10], tác giả sử dụng lọc làm trắng phân cực cách kết hợp thành phần HH (HorizontalHorizontal), HV (Horizontal-Vertical), VV (VerticalVertical) tín hiệu phân cực ảnh SAR phân cực (Synthetic Aperture Radar) làm cho độ lốm đốm (tương đương độ lệch chuẩn nhiễu nền) ảnh nhỏ Bài báo đề xuất phương pháp xử lý hệ số elip phân cực trung bình K để giảm độ lệch chuẩn hệ số elip phân cực K, K nhiễu biển nói riêng nhiễu nói chung Bố cục báo sau: phần II trình bày tóm tắt tốn phát mục tiêu theo hệ số elip phân cực K đề xuất thuật toán phát mục tiêu theo hệ số elip phân cực trung bình Ktb Phần III kết mơ cho tốn phát mục tiêu theo hệ số elip phân cực so sánh kết cho trường hợp: sử dụng hệ số K hệ số Ktb, phần IV kết luận II GIẢM SỰ THĂNG GIÁNG CỦA HỆ SỐ ELIP PHÂN CỰC ĐỐI VỚI NHIỄU BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TRUNG BÌNH a Bài tốn phát mục tiêu bề mặt theo hệ số elip phân cực K Trong [8], tác giả đưa thuật toán phát mục tiêu bề mặt theo hệ số elip phân cực K Xét hệ thống radar cụ thể sau: tín hiệu phát xạ có phân cực tròn phải, tín hiệu thu đồng thời theo hai kênh phân cực tròn phải, tròn trái trực giao [11] Hệ thống đo mô đun tỉ số phân cực tròn dạng: P RL (t ) E R (t ) / E L (t ) , sau tính tốn hệ số elip phân cực theo biểu thức: Tác giả liên hệ: Phạm Trọng Hùng Email: hungpt1504@gmail.com Gửi tòa soạn: 07/2017, chỉnh sửa: 08/2017, chấp nhận đăng: 09/2017 Số 01 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 74 TĂNG KHẢ NĂNG PHÂN BIỆT MỤC TIÊU TRÊN BỀ MẶT BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP b a, Hình Phát mục tiêu bề mặt theo hệ số elip phân cực K K (t ) P RL (t ) ; K (t ) P RL (t ) (1) Kết mô toán phát mục tiêu bề mặt theo hệ số elip phân cực thể hình Có mục tiêu gieo với toạ độ ngẫu nhiêu với hệ số elip phân cực tương ứng K= -0.4595; 0.6667; 0.4286; 0.8018; -0.7143 Biên độ tín hiệu thay đổi theo tỉ số tín hiệu/nhiễu SCR (signal to cluter ratio) cho trước Nhiễu bề mặt biển giả định có phân bố Rayleigh Tỷ số SCR có giá trị: dB Kết mơ hình b Đặc tính thống kê tham số phân cực K nhiễu Trên hình ta thấy rằng, nhiễu có độ thăng giáng lớn, ảnh hưởng đến khả phân biệt mục tiêu bề mặt Sự thăng giáng hệ số elip phân cực K nhiễu biển phân bố dàn trải khoảng giá trị K=[-1:1] Mật độ phân bố hệ số K nhiễu biển hình Nghiên cứu kết thực nghiệm thực công trình [7], (Bảng 1) với tỷ số SCR có giá trị từ -10 dB đến dB tuỳ thuộc vào điều kiện sóng biển thấy giá trị trung bình nhiễu biển K , giá trị trung bình mục tiêu + nhiễu biển gần K 0,8 phương sai tương ứng K 0, 23 0,56 nhiễu biển K 0,07 0,08 mục tiêu Như thay sử dụng hệ số K cell radar ảnh hình 1, báo đề xuất thuật tốn phát mục tiêu bề mặt theo hệ số K trung bình Thuật tốn trình bày báo [8] Bảng 1: Kết thực nghiệm hiệu ứng vết phân cực bề mặt biển [7] Mục tiêu, khoảng cách Độ cao sóng K trung bình Km Phương sai K, K Bề mặt biển, D =1,5÷1,6 km ≈ 0,2 m K 0, 0,1 K 0, 23 Cọc sắt (l =1,5 m, d= 0,05m) bề mặt biển, D =1,5÷1,6 km Bề mặt biển, D =1,5÷1,6 km ≈ 0,2 m K 0,8 K 0,07 0,08 ≈0,4÷0,5 m K 0 K 0, 26 Cọc sắt (l =1,5 m, d= 0,05m) bề mặt biển, D =1,5÷1,6 km Bề mặt biển, D =1,2÷1,6 km Cọc sắt (l =1,5 m, d=0,05 m) bề mặt nền, D =1,5÷1,6 km Số 01 (CS.01) 2017 ≈ 0,5 m ≈1,2÷1,5 m ≈1,2÷1,5 m K 0,75 K 0 K 0,7 K 0, 033 K 0,56 K 0,11 0,125 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 75 Trọng Hùng, Nguyễn Trung P.T Hùng, N.T.Thành: Tăng khả phân biệt mục tiêu bề mặt biểnPhạm phương pháp xử lý… tín hiệu thu Hình Sự phân bố hệ số elip phân cực K nhiễu biển với mơ hình nhiễu Rayleigh c Đề xuất giải pháp giảm độ thăng giáng hệ số elip phân cực K nhiễu phương pháp tính trung bình theo đoạn Phương pháp đề xuất trình bày sau: Giả sử cell radar nhận N mẫu giá trị K ứng với thời gian lẫy mẫu ti (i=1:N) (K(t1), K(t2)… K(tN) ) Để đơn giản viết thành mẫu K1, K2…KN Việc tính giá trị K trung bình cell thực theo công thức: N mK K (i ) (2) N i 1 Biểu đồ phân bố giá trị trung bình K nhiễu biển mơ hình 3, với N=10, nhiễu có nhiễu biển có phân bố Rayleigh Hình Hệ số elip phân cực K nhiễu biển Số 01 (CS.01) 2017 Thành3 Hình So sánh phân bố hệ số elip phân cực K (trái) trường hợp tính theo giá trị K trung bình (phải) Trên hình 3, 4, ta thấy giá độ thăng giáng hệ số K giảm mạnh, trị trung bình hệ số K nhiễu biển không đổi gần phương sai giảm đáng kể tính theo giá trị trung bình từ σ=0.4781 giảm σtb=0.1515, tương đương dB Kết cho thấy phương pháp xử lý theo giá trị trung bình K tốt kết đo thực nghiệm hệ số K nhiễu biển báo [7] Khi độ thăng giáng hệ số K nhiễu biển giảm đồng nghĩa với việc tăng khả phân biệt mục tiêu bề mặt theo tham số phân cực K Phương sai hệ số K nhiễu biển xử lý theo trung bình với N=10 giảm đáng kể so với phương sai nhiễu biển đo thực nghiệm bảng [7] III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG a Ảnh radar theo hệ số elip phân cực K Bài toán phát theo hệ số K trung bình mơ Giả sử mục tiêu gieo với toạ độ ngẫu nhiêu có hệ số phân cực tương ứng K= -0.4595; 0.6667; 0.4286; 0.8018; -0.7143 Biên độ tín hiệu thay đổi theo SCR cho trước Nhiễu bề mặt biển giả định có phân bố Rayleigh Tỷ số SCR có giá trị: -10 dB dB tương đương với điều kiện thực nghiệm thực công trình [7] Kết mơ hình Trên hình ta thấy độ tương phản bề mặt tăng lên, làm ảnh mục tiêu theo hệ số elip K rõ nét ảnh Điều làm tăng khả phát với mục tiêu có mức tỷ số tín/nhiễu SCR nhỏ cỡ -10 dB Trên hình 5a (trên) thấy rằng, tính theo giá trị K khơng thể nhìn thấy mục tiêu ảnh đa, nhiên sử dụng phương pháp tính Ktb nhìn thấy 3/5 mục tiêu Khi SCR tăng lên độ tương phản mục tiêu bề mặt rõ nét TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 76 TĂNG KHẢ NĂNG PHÂN BIỆT MỤC TIÊU TRÊN BỀ MẶT BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP a, b, Hình Mơ so sánh hiệu phương pháp phát theo hệ số K trung bình Hình trên: chưa xử lý; Hình dưới: xử lý theo phương pháp trung bình b, a, Hình Phát mục tiêu theo ngưỡng hệ số elip phân cực K, với Kng=0.3 hình 5b với SCR=0 dB, nhìn thấy mắt 5/5 mục tiêu b Phát mục tiêu theo hệ số elip phân cực đặt ngưỡng phát Khi đặt ngưỡng phát theo hệ số K, loại bỏ tín hiệu nhiễu biển ảnh radar Kết mơ trình bày hình Trên hình ta thấy rằng, đặt ngưỡng phát tự động phát để loại bỏ ảnh nhiễu biển, độ tương phản mục tiêu tăng lên đáng kể Với SCR = dB, phát mắt thường 3/5 mục tiêu (hình 6a) Với SCR = dB phân biệt 5/5 mục tiêu (hình 6b) Tuy nhiên ảnh lốm đốm nhiễu biển ảnh radar Các ảnh lốm đốm gây nên xác suất báo động Số 01 (CS.01) 2017 lầm Có thể giảm độ lốm đốm tăng mức ngưỡng Kng lên, nhiên điều làm tăng xác suất bỏ sót mục tiêu tham số phân cực mục tiêu nằm mức ngưỡng Kng c Tính xác suất phát mục tiêu theo hệ số elip phân cực Việc tính xác suất phát thực cách gieo 105 lần mục tiêu có hệ số elip phân cực K cho trước nhiễu Rayleigh với giá trị SCR thay đổi từ -10 dB đến 20 dB, sau đặt ngưỡng phát theo hệ số elip phân cực Kng Xác suất phát số lần có hệ số elip phân cực K (Ktb) nằm khoảng phát Kng/tổng số lần gieo có mục tiêu+nhiễu Xác suất báo động lầm số lần hệ số K nhiễu nằm khoảng phát hiện/tổng số mẫu TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 77 Trọng Hùng, Nguyễn Trung P.T Hùng, N.T.Thành: Tăng khả phân biệt mục tiêu bề mặt biểnPhạm phương pháp xử lý… tín hiệu thu Thành5 b, a, d c, Hinh Đánh giá xác suất phát theo hệ số elip phân cực nhiễu mục tiêu Kết tính tốn thể hình với tham số khác Trên hình ta thấy xác suất phát phương pháp đề xuất cao so với chưa xử lý hệ số elip phân cực K Đồng thời xác suất báo động lầm giảm với trường hợp Kmt =0.78, Kng=0.5, N=10 từ PF1 =0.2 với trường hợp tính theo phương pháp K PF2=3.10-5 phương pháp tính theo hệ số elip phân cực trung bình Ktb (hình 7a, b) Trên hình 7c rằng: với mục tiêu có hệ số elip phân cực Kmt=0.818 PD=0.9 (PF=6.10-4) SCR 7dB với phương pháp tính theo Ktb, với phương pháp tính theo K để đạt PD=0.9 (PF=0.3) SCR phải 13 dB Trên hình đặt mức ngưỡng cao, PF nhỏ xác suất phát cao với giá trị SCR lớn ngược lại xác suất phát giảm Khi đặt ngưỡng phát Kng thấp xác suất báo động lầm cao xác suất phát lớn SCR nhỏ Số 01 (CS.01) 2017 IV KẾT LUẬN Bài báo đề phương pháp phát mục tiêu theo hệ số elip phân cực trung bình Ktb Kết mô hiệu phương pháp đề xuất so với phương pháp tính theo hệ số K chưa xử lý Độ tương phản mục tiêu bề mặt ảnh đa tăng lên đáng kể, làm tăng xác suất phát hiện, phân biệt mục tiêu bề mặt theo tham số phân cực Với phương pháp đề xuất, phân biệt mục tiêu có RCS nhỏ (từ -10 dB trở lên) ảnh đa phân cực Điều mở khả phát mục tiêu có kích thước nhỏ bề mặt mặt biển, mặt đất V TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wenguang Wang, Yu Ji and Xiaoxia Lin, "A Novel Fusion-Based Ship Detection Method from Pol-SAR Images," Sensor, vol 15, pp 25072-25089, 2015 [2] Liu C, Vachon P W and Geling G W, "Improved ship detection using polarimetric SAR data," Canadian TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 78 TĂNG KHẢ NĂNG PHÂN BIỆT MỤC TIÊU TRÊN BỀ MẶT BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TRUNG BÌNH [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Số 01 (CS.01) 2017 Journal of Remote Sensing, vol 31, no 1, pp 122-131, 2005 Haiyan Li, William Perrie and Yijun He, "Target Detection on the Ocean With the Relative Phase of Compact Polarimetry SAR," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol 51, no 6, pp 32993305, 2013 G Margarit, J J Mallorqui and J M Rius, "On the usage of GRECOSAR, an orbital polarimetric SAR simulator of complex targets, to vessel classification studies," IEEE Trans Geosci Remote Sens, vol 44, no 12, p 3517– 3526, 2006 G Margarit, J J Mallorqui and X Fabregas, "Singlepass polarimetric SAR interferometry for vessel classification," IEEE Trans Geosci Remote Sens, vol 45, no 11, p 3494–3502, Nov 2007 H Li, Y He and W Wang, "Improving ship detection with polarimetric SAR based on convolution between copolarization channels," Sensors, vol 9, no 2, p 1221– 1236, 2009 Krivin N.N., Tatarinov V.N and Tatarinov S.V , "Innovations in Radar Technologies: Polarization Invariants Parameter Utilization for the Problem of Radar Object Detection and Mapping," in Proceedings of the First Postgraduate Consortium International Workshop, Tomsk, Russia, 2011 P.T Hung, N.T Thanh and P.M Nghia, "Two-levels threshold detection using polarimetric parameter ellipticity in accordance with Neyman-Pearson criterion," Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, HVKTQS, pp 20-30, 8-2016 A A Swartz, H A Yueh, J A Kong, L M Novak and R Shin, "Optimal Polarizations for Achieving Maximum Contrast in Radar Images," Journal of Geophysical Research, vol 93, no 12, pp 15,252-15,260, December 10, 1988 [10] L.M Novak, "Optimal Speckle Reduction in Polarimetric SAR Imagery," IEEE Trans AES, March, 1990 [11] Ligthart L., Tatarinov V.N., Tatarinov S.N and Pusone E., "An effective polarimetric detection of small-scale man-made radar objects on the sea surface," Microwaves Radar and Wireless Communications, MIKON-2002 14th International Conference on Publication Year, vol 2, pp 677 - 680 Phạm Trọng Hùng tốt nghiệp đại học Hàng không Mat-cơ-va, Liên Bang Nga năm 2007, tốt nghiệp Thạc sỹ Học viện kỹ thuật quân năm 2010 Hiện giảng viên Học viện Kỹ thuật quân Chuyên nghiên cứu lĩnh vực radar phân cực, tác chiến điện tử, hệ thống vô tuyến Nguyễn Trung Thành: tốt nghiệp đại học Học viện kỹ thuật quân năm 2002, tốt nghiệp Thạc sỹ năm 2009 Tiến sĩ năm 2015 La Trobe University, Australia Hiện giảng viên Học viện Kỹ thuật quân Chuyên nghiên cứu lĩnh vực radar, tác chiến điện tử, xử lý tín hiệu số TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 79 ... 75 Trọng Hùng, Nguyễn Trung P.T Hùng, N.T.Thành: Tăng khả phân biệt mục tiêu bề mặt biểnPhạm phương pháp xử lý tín hiệu thu Hình Sự phân bố hệ số elip phân cực K nhiễu biển với mơ hình nhiễu... TRÊN BỀ MẶT BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP a, b, Hình Mô so sánh hiệu phương pháp phát theo hệ số K trung bình Hình trên: chưa xử lý; Hình dưới: xử lý theo phương pháp trung bình b, a, Hình Phát mục tiêu. ..TĂNG KHẢ NĂNG PHÂN BIỆT MỤC TIÊU TRÊN BỀ MẶT BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP b a, Hình Phát mục tiêu bề mặt theo hệ số elip phân cực K K (t ) P RL (t ) ; K