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

Bài báo 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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu một số thuật toán điển hình ứng dụng trong Ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa Ra đa mặt mở tổng hợp phân cực Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN 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 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. Từ khóa: Ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực, Độ cao rừng, Tập kết hợp. 1. MỞ ĐẦU Khi giải quyết các bài toán về ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực, có thể đánh giá mức độ và đặc trưng biến đổi cấu trúc phân cực của tín hiệu ra đa khi bị tán xạ bởi mục tiêu. Các đặc tính liên quan đến tham số hình học và điện vật lý có thể được đánh giá trên cơ sở sử dụng các tham số thông tin của tín hiệu nhận được. Đồng thời, khi tạo ảnh ra đa bằng các đặc tính trên cho phép nâng cao độ chính xác về nhận dạng và xác định tham số mục tiêu như cao độ, kích thước, độ ẩm của mục tiêu. Ma trận tán xạ của mục tiêu là nguồn để khai thác thông tin về mục tiêu cần nghiên cứu trong các bài toán khác nhau (phát hiện, nhận dạng và phân loại) của ra đa hiện đại. Ngày nay, ra đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolSAR) và giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolInSAR) trở thành một kỹ thuật hiệu quả để giải thích rõ hơn về cơ chế tán xạ. PolInSAR là một kỹ thuật viễn thám mới, nó kết hợp giữa lợi thế của phân cực SAR (Pol SAR) và giao thoa SAR (InSAR). Nó không chỉ có thể cải thiện độ chính xác của phép đo địa hình, mà còn cung cấp được các thông số vật lý liên quan đến các cơ chế tán xạ. Đặc biệt, dữ liệu PolInSAR rất có ích trong việc khai thác các đặc tính mục tiêu tự nhiên và nhân tạo. Do vậy, xác định tham số mục tiêu sử dụng ảnh giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực đã mở ra một hướng đi mới cho việc ứng dụng kỹ thuật viễn thám sóng siêu cao tần trong quân sự, quản lý tài nguyên môi trường, khí tượng thủy văn…. Hướng nghiên cứu này đã và đang phát triển rất mạnh ở các nước như Nga, Hoa Kỳ, Canada, Pháp, Nhật, Đức, cũng như nhiều nước có nền khoa học công nghệ tiên tiến khác trên thế giới nhờ các ưu điểm vượt trội của nó. 2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA POLINSAR 2.1. Ma trận hiệp phương sai PolSAR Sóng điện từ trường được phát ra từ anten phát của ra đa, và truyền trong môi trường. Sau khi tán xạ bởi mục tiêu, một phần năng lượng được 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 về anten thu. Trong hệ tọa độ phân cực (H, V), mối quan hệ giữa sóng tới và sóng tán xạ được biễu diễn bằng ma trận tán xạ. Ma trận tán xạ [1]: S Shv   1  S    Shh  Svv  (1)  k  V ([ S ])  Trace([ S ] )  hv 2 Hệ thống SAR phân cực cung cấp các thông tin của mục tiêu thông qua ma trận tán xạ phức 2x2. Đối với trường hợp tán xạ ngược trong môi trường thuận nghịch, véc tơ mục tiêu tán xạ ngược được biểu diễn như sau [2]:  T k L   S hh 2 S hv S vv  (2) Trong đó, S hh , S hv và Svv là hệ số tán xạ ngược của các kênh phân cực HH, HV và VV (theo chiều ngang H và theo chiều đứng V). Ma trận hiệp phương sai PolSAR được xác định từ tích ngoài của véc tơ tán xạ ngược và liên hợp phức chuyển vị của nó, và được biểu diễn như sau:  2 * *  Shh 2 Shh Shv Shh Svv      2  C   kL kL*T   2 Shv Shh* 2 Shv * 2 Shv Svv  (3)    * * 2   Svv Shh 2 Svv Shv Svv  Với toán tử  biểu thị mức lấy trung bình toàn bộ trong quá trình xử lý dữ liệu và    thể hiện toán tử liên hợp phức. Kỹ thuật phân tích mục tiêu theo mô hình tán xạ là một trong những công cụ rất hữu ích và quan trọng trong việc xác định các thông tin về mục tiêu như: hình dạng, cấu trúc, thuộc tính địa vật lý, góc định hướng của mục tiêu. 2.2. Nguyên lý của PolInSAR Hình 1. Nguyên lý cơ bản của SAR giao thoa phân cực. Người ta sử dụng hai ra-đa phân cực cùng quét một mục tiêu, tại cùng một thời 74 B. N. Thủy, … , N. P. Nam, “Nghiên cứu một số thuật toán… phân cực.” Nghiên cứu khoa học công nghệ điểm hoặc khác thời điểm cách nhau một khoảng cách nào đó được gọi là đường cơ sở (B). Do sự sai lệch về đường quét, thời gian quét, nó tạo ra pha giao thoa phân cực giữa hai ảnh ra-đa phân cực (6) và pha giao thoa này chính là cơ sở quan trọng để ước lượng được độ cao của mục tiêu.  ...