Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác nhận dạng và xác định tham số mục tiêu dựa trên ảnh ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa phân cực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BÙI NGỌC THỦY NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC NHẬN DẠNG VÀ XÁC ĐỊNH THAM SỐ MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC VÀ GIAO THOA PHÂN CỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Đại tá, PGS TS Lê Vĩnh Hà Trung tá, TS Phạm Minh Nghĩa Hà Nội – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các kết nghiên cứu số liệu trình bày luận án trung thực, chưa công bố cơng trình khác, liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ NGƯỜI CAM ĐOAN Bùi Ngọc Thủy ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tập thể thầy hướng dẫn PGS.TS Lê Vĩnh Hà, Viện Ra đa - Viện Khoa học Công nghệ quân sự, TS Phạm Minh Nghĩa, Khoa Vô tuyến điện tử - Học viện Kỹ thuật quân trực tiếp hướng dẫn, tận tình dẫn khoa học có giá trị giúp tơi hồn thành luận án Sự động viên, khuyến khích, kiến thức khoa học chuyên môn mà Thầy chia sẻ năm nghiên cứu sinh giúp nâng cao lực khoa học, phương pháp nghiên cứu lịng u nghề Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng, phòng Đào tạo Viện Điện tử tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Phòng kỹ thuật trinh sát điện tử Xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Sĩ quan kỹ thuật quân Khoa Kỹ thuật sở nơi cơng tác, tạo điều kiện để tơi hồn thành nhiệm vụ Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến tập thể thầy hướng dẫn, nhà khoa học, đồng nghiệp người thân tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG .vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG, XÁC ĐỊNH THAM SỐ MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH RA ĐA PHÂN CỰC VÀ GIAO THOA PHÂN CỰC 1.1 Phương trình đa 10 1.2 Sự hình thành ảnh đa mặt mở tổng hợp 12 1.2.1 Các tham số hệ thống SAR 13 1.2.2 Độ phân giải không gian ảnh SAR .14 1.2.3 Cấu tạo ảnh SAR 16 1.3 Đặc trưng phân cực mục tiêu 19 1.3.1 Thông tin phân cực .19 1.3.2 Vector mục tiêu tán xạ k 21 1.3.3 Ma trận kết hợp [T] ma trận hiệp phương sai [C] phân cực 25 1.4 Các chế tán xạ 27 1.4.1 Tán xạ bề mặt 27 1.4.2 Tán xạ nhị diện 28 1.4.3 Tán xạ khối 29 1.4.4 Tán xạ xoắn ốc 30 1.4.5 Tán xạ dây 31 1.5 Tính chất tán xạ mục tiêu phân cực 32 1.6 Kỹ thuật phân hoạch mục tiêu phân cực PolSAR 35 1.7 Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa 36 1.8 Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa phân cực 38 1.9 Kết luận chương 41 Chương ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC 42 2.1 Kỹ thuật phân hoạch mục tiêu dựa ảnh đa phân cực 44 iv 2.1.1 Kỹ thuật phân tích mục tiêu kết hợp 44 2.1.2 Kỹ thuật phân tích mục tiêu theo mơ hình tán xạ .44 2.2 Nhận dạng mục tiêu dựa kỹ thuật phân hoạch thành phần tán xạ cải tiến với mơ hình khối thích nghi 55 2.2.1 Thành phần tán xạ nhị diện bất đối xứng 55 2.2.2 Thành phần tán xạ khối .56 2.2.3 Kỹ thuật phân hoạch đề xuất 57 2.2.4 Kết thực nghiệm 60 2.3 Nhận dạng mục tiêu nhân tạo dựa kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần với mô hình tán xạ khối mở rộng 65 2.3.1 Các thành phần tán xạ .66 2.3.2 Kỹ thuật phân hoạch đề xuất 67 2.3.2 Kết thực nghiệm 69 2.4 Kết luận chương 73 Chương ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP GIAO THOA PHÂN CỰC 74 3.1 Các phương pháp ước lượng độ cao mục tiêu 75 3.1.1 Kỹ thuật nghịch chuyển ba trạng thái 75 3.1.2 Kỹ thuật ước lượng tham số mục tiêu theo phương pháp xoay bất biến 80 3.1.3 Lý thuyết tập kết hợp 82 3.2 Ước lượng tham số rừng dựa kỹ thuật phân hoạch mục tiêu cho ảnh PolInSAR 90 3.2.1 Sự kết hợp giao thoa phân cực 91 3.2.2 Các chế tán xạ cho liệu PolInSAR 92 3.2.3 Ước lượng tham số tán xạ 97 3.2.4 Ước lượng tham số địa hình sử dụng nguyên lý tập kết hợp .99 3.2.5 Kết thực nghiệm 100 3.3 Kết luận chương 109 KẾT LUẬN 110 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục kí hiệu CS, CD, CV, CH Ma trận hiệp phương sai tương ứng với chế tán xạ bề mặt, nhị diện, khối xoắn ốc Cint,  Ma trận giao thoa phức chứa thông tin giao thoa phân cực mục tiêu e Sai số trung bình EI Điện trường sóng tới ES Điện trường sóng tán xạ fS, fD, fV, fH Các hệ số công suất tán xạ tương ứng với chế tán xạ bề mặt, nhị diện, khối xoắn ốc hV Chiều cao trung bình k Vector mục tiêu kl biểu thị kênh phân cực (HH, HV, VV, VH) kZ Hệ số sóng đứng PS, PD, PV, PH Cơng suất đóng góp thành phần tán xạ bề mặt, nhị diện, khối xoắn ốc R Khoảng cách đa mục tiêu RH Hệ số phản xạ cho sóng phân cực ngang RV Hệ số phản xạ cho sóng phân cực đứng RMSE Sai số quân phương trung bình S Ma trận tán xạ TS, TD, TV, TH Ma trận kết hợp tương ứng với chế tán xạ bề mặt, nhị diện, khối xoắn ốc v Vận tốc truyền sóng  Hệ số tiết diện hiệu dụng đa rw  A Bán kính số ma trận A wq  A  Cự ly số ma trận A vi  Tập kết hợp  Tập kết hợp rút gọn 1 , 2 Vector phức nguyên trị kênh phân cực  Tham số tán xạ dị hướng  Hệ số tương quan để nhận dạng chế tán xạ chủ đạo  mkl , mkl Hệ số tán xạ ngược chuẩn hóa n klj Nhiễu Gaussian kênh phân cực kl  Hệ số giao thoa phức r Hệ số điện môi tương đương bề mặt  P , L Ma trận sở Pauli Lexicographic S , D , V Pha thành phần tán xạ bề mặt, nhị diện khối  Góc tới  1,  Hệ số kết hợp tuyến tính phần tử ma trận tán xạ [S1] [S2] m Các giá trị riêng   R xx Ma trận tương quan tín hiệu ma trận [S1] [S2] Danh mục chữ viết tắt BĐX Bất đối xứng KTPH Kỹ thuật phân hoạch KVĐT Khu vực đô thị KVTN Khu vực tự nhiên MHTX Mơ hình tán xạ NDMT Nhận dạng mục tiêu MTTX Ma trận tán xạ PolSAR Ra đa mặt mở tổng hợp phân cực PolInSAR Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa phân cực InSAR Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa vii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tham số hệ thống vệ tinh không gian hệ thống SAR hàng không 14 Bảng 1.2 Chế độ phát thu kênh phân cực 20 Bảng 2.1 Bảng tỷ lệ điểm ảnh có thành phần công suất không âm 64 Bảng 3.1 Sự tương quan loại hình dạng kết hợp 90 Bảng 3.2 Tham số rừng ước lượng từ liệu mô 101 Bảng 3.3 Tham số rừng ước lượng từ hai phương pháp 106 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sự tương tác sóng điện từ trường với mục tiêu 10 Hình 1.2 Dải sóng siêu cao tần hệ thống SAR 12 Hình 1.3 Cấu trúc hình học SAR khơng gian 13 Hình 1.4 Khoảng cách mặt đất chiếu theo cự ly nghiêng 17 Hình 1.5 Méo dạng hình học co hẹp địa hình ảnh SAR 17 Hình 1.6 Méo dạng hình học dãn rộng địa hình ảnh SAR 18 Hình 1.7 Bóng khuất đa SAR 19 Hình 1.8 Các kiểu phân cực đa viễn thám 20 Hình 1.9 Hệ thống phát thu nhận đa viễn thám 20 Hình 1.10 Sự tương tác sóng điện từ với nhiều mục tiêu 21 Hình 1.11 Cấu hình hệ thống đa phân cực 24 Hình 1.12 Mối quan hệ ba ma trận [S], [T] [C] 27 Hình 1.13 Cấu trúc hình học chế tán xạ bề mặt 28 Hình 1.14 Cấu trúc hình học chế tán xạ nhị diện 29 Hình 1.15 Cấu trúc hình học chế tán xạ khối 30 Hình 1.16 Cấu trúc hình học chế tán xạ xoắn ốc 31 Hình 1.17 Cấu trúc hình học chế tán xạ dây 31 Hình 1.18 Phản xạ đối xứng quanh tầm nhìn thẳng 32 Hình 1.19 Đối xứng quay vòng quanh LOS 33 Hình 1.20 Đối xứng phản xạ quay quanh LOS 34 Hình 1.21 Cấu trúc hình học đa giao thoa 37 Hình 1.22 Hình ảnh thu thập từ PolInSAR 39 Hình 2.1 Các kỹ thuật phân hoạch mục tiêu điển hình 43 Hình 2.2 Các mơ hình tán xạ 45 Hình 2.3 Nhận dạng mục tiêu dựa kỹ thuật phân tích Freeman_Durden 50 Hình 2.4 Tán xạ bất đối xứng 53 Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán đề xuất 59 Hình 2.6 Khu vực khảo sát 61 ix Hình 2.7 Ảnh phân hoạch khu vực khảo sát 61 Hình 2.8 Đồ thị  khu vực thử nghiệm 62 Hình 2.9 Biểu đồ tròn ba thành phần tán xạ khu vực khảo sát 63 Hình 2.10 Lưu đồ thuật toán 69 Hình 2.11 Hình ảnh quang khu vực khảo sát 70 Hình 2.12 Ảnh phân hoạch khu vực khảo sát 70 Hình 2.13 Biểu đồ trịn bốn thành phần tán xạ khu vực khảo sát 72 Hình 3.1 Phương pháp nghịch chuyển ba trạng thái 76 Hình 3.2 Thuật tốn ESPRIT 82 Hình 3.3 Các định nghĩa khác tập kết hợp 84 Hình 3.4 Tập kết hợp 1PS cho vùng che phủ IPS với điều kiện tham chiếu PS, 1SM, 2SM  86 Hình 3.5 Các hình dạng tập kết hợp khả dụng S() mặt phẳng kết hợp phức 88 Hình 3.6 Ví dụ dạng hình học tập kết hợp chung cho chuyển đổi đơn kênh với phản xạ đối xứng 90 Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán 98 Hình 3.8 Ảnh mã hóa Pauli RGB 101 Hình 3.9 Độ cao rừng ước lượng từ phương pháp đề xuất 102 Hình 3.10 Ước lượng tham số rừng từ phương pháp đề xuất 102 Hình 3.11 Hình ảnh quang khu vực khảo sát 103 Hình 3.12 Khu vực khảo sát TienShan 104 Hình 3.13 Đồ thị so sánh kết chiều cao 104 Hình 3.14 Chiều cao rừng ước lượng hai phương pháp 105 Hình 3.15 Mức độ ngẫu nhiên vùng khảo sát 107 Hình 3.16 Góc định hướng trung bình vùng khảo sát 107 Hình 3.17 Ước lượng tham số cho khu vực khảo sát 108 ... NDMT Nhận dạng mục tiêu MTTX Ma trận tán xạ PolSAR Ra đa mặt mở tổng hợp phân cực PolInSAR Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa phân cực InSAR Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa vii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang... chiếm ưu Đề tài luận án ? ?Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ xác nhận dạng xác định tham số mục tiêu dựa ảnh đa mặt mở tổng hợp phân cực giao thoa phân cực? ?? tập trung nghiên cứu theo hướng xây dựng... lượng tham số mục tiêu dựa ảnh Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa phân cực Trong chương nghiên cứu tổng quan phương pháp ước lượng độ cao mục tiêu đề xuất thuật toán dựa sở tối ưu tham số KTPH mục tiêu