автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Имитационное моделирование аэрокосмических изображений океана

РТ6 О 2 1 МЬ? ^

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

БАТМАНОВ ВАЛЕРИЯ ХУСАИНОВЙЧ

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОКЕАНА

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

УФА - 1994

Работа выполнена на. кафедре "Техническая кибернетике* Уфимского-государственного авиационного технического университете

Научные руководители

доктор технических наук, профессор Ильясов Б.Г,, кандидат технических наук, доцент Султанов А,Х,

Официальные оппонент"

доктор'физико-математических цаук, профессор Рамазанов М.Д., кандидат'технических наук, доцент Тимофеев 4.А.

Ведущее предприятие ЩО ЭМС г.Зеленоград ,

Защита состоится " ^ " ^__ 1994г, в I ^ часов на

¡заседании специализированного совета Д-064.ТЗ,С)2 .при Бащкрракдм государственном университете по адресу: 450074, Уфа, ул.фрунз^.ЗЗ

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке рашщрчкогр Государственного-университета.

Автореферат разослан " 61 " 1994 г.

Учений секретарь спедаализированного совета кандидат физ.-мат. наук

(1,д,Морозкиц

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Аэро'космическив исследования океана показывают принципиальную возможность получения информации о процессах и явлениях, происходящих.как на его поверхности, так и в глубинных слоях. Такого рода информация интересна с точки' зрения промысловых, метеорологических, экологических, и военных приложений.

В настоящее время интенсивно изучаются вопросы, связанные с обнаружением и идентификацией аномальных образования в океане на основе анализа аэрокосмических изображений. Одним из подходов к исследованию наблюдаемости аномалий в океане, маскируемых различного рода случайными факторами, является имитационное моделирование , на основе которого может быть создан математический полигон для ' проведения вычислительных экспериментов в датой области, что несет потенциальную, возможность экономии материальных и временных ресурсов.

В настоящей работе предпринята попытка реализаций -имитационного подхода к исследованию наблюдаемости аномальных . образований в океане аэрокосмическими методами, что потребовало решения круга вопросов, связанных с физикой, атмосферы и океана, статистической радиофизикой, статистическим моделированием й теорией обнаружения.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематикой НИР кафедри "Техническая кибернетика1* Уфимского государственного авиационного технического университета,

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка имитационной модели процесса дистанционного зондирования океана в оптическом диапазоне и созданио на ее основе янформациошю-моделируюаего комплекса для проведения глгшслитолг.шх экспериментов по тестировал!»

алгоритмов обнаружения, оценке и оптимизации наблюдаемости оогектов и аномальных явлений,а океане.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана техника имитации аэрокосмических изображений океана, 'включающая:

. - математическую модель дистанционного зондирования океана в оптическом диапазоне , в которой впервые учтено совместное влияние на формирование изображений процессов рассеивания поверхностью и толщей океёна излучения солнца и излучение атмосферы при наличии ветрового волнения и пенообразования , собственного излучения и случайно-'неоднородной структуры атмосферы, обусловленной аэрозольными частицами и турбулентностью;

- процедуру компьютерного синтеза изображений, новизна которой заключается в том, что при численной реализации модели имитируются только крупномасштабные компоненты пространственного спектра волнения; процедура основывается на двухмасштабном (по отношению к пространственному разрешению оптической системы наблюдения) представлении поля волнения, что позволяет вклад в яркость изображения мелкомасштабных волн и пены определить аналитически и делает . возможным компьютерную реализацию процедуры в целом.

Впервые ■ сформулирован информационный критерий наблюдаемости объектов на случайном фоне, обобщающий понятия обнаружения и идентификации!

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. На основании проведенных в диссертационной работе исследований разработана информационная система имитационного моделирования процесса дистанционного зондирования океана в оптическом диапазоне, предназначенная для проведения вычислительных экспериментов по исследованию наблюдаемости аномальных явлений и

объектов в океане. Система внедрена в научные исследования ГЕОХИ им.В.И.Вернадского РАН.

Разработана методика оценки эффективности радиотехнических, средств дистанционного зондирования при решении'задач обнаружения и распознавания объектов на случайном фоне.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы представлялись на отраслевой научно-технической конференции по методам и устройствам обработки радиолокационной и радиотехнической информации /Киев, 1988г./, Всесоюзной НТК "Разработка систем технического зрения", Мировом Космическом Конгрессе Международной Федерации Астронавтики

/Вашингтон,1992г./, Международной Азиатско-Тихоокеанской конференции /Нунмннг, I993./.

Работа является победителем конкурса грантов 1993 г. по научному' направлению "Теория.формирование и обработка сложных сигналов" и конкурса грантов по направлению "Проблемы освоения мирового океана и прибрежной зоны".

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационной работы в открытой печати опубликовано четыре работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. • Содержит 80 страниц машинописного текста, 4 рисунка, список литературы из 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ. В перЕой глава формулируется общая постановка- задачи имитационного моделирования аэрокомических изображений, как задачи синтеза стохастических, полей яркости, обусловленных трансформацией оптического излучения в случайно-неоднородных средах - атмосфере, поверхности океана, толще океана.

Обсуждаются математические метода моделирования и синтеза

у' - й -

двумерных стохастических полей, которым! аэрокосмические изображения являются по своей природе.

Анализируются подходы, применяемые при решении задач распространения и рассеивания волн в случайно-неоднородных средах. Кратко излагаются основные положения метода Кирхгофа, метода стохастическох'о параболического уравнения, теории переноса излучения.

Вторая глава посвещена математическому моделированию процесса дистанционного зондирования океана в оптическом диапазоне.

Для обоснования используемых при моделировании приближений анализируется характер и масштабная структура оптических неоднородностей основных факторов, участвующих в механизме формирования изображений океана - поверхности океана, толщи океана и атмосферы.

Приведена математическая модель, описывающая конфигурацию наблюдаемого участка взволнованной поверхности океана. Поле возвышений £(г) представляется в виде двумерного ряда Фурье со -случайными коэффициентами, определяемыми в соответствии с пространствеиным спектром волнения.

Рассматриваются вопросы моделирования процесса формирования аэрокосмических изображений океана оптическими системами наблюдения. Картина формирования яркости изображений представляется как результат суперпозиции рассеянного излучения солнца и излучения атмосферы поверхностью океана, его толщей и собственного излучения океана.

Для определения компоненты яркости ' изображения, обусловленной рассеиванием излучения* поверхностью океана, использовался гчтлц Кирхгофа, с помошыо ктгерого шггчПсимогть

рассеянного излучения можно представить в виде

- - - -, ^ -. . 2 - 2 -1(С)=ЯР(г1 )F*(r2)exp[iq(r,-r2)+(q N)(Ç (г, )-Ç(r2) ) Id r,d г2,(1)

h q - -

где F(r)=C — V(r,£ (г) )A(r)ti(r,ö), N - нормаль к подстилающей N q'

поверхности, п - нормаль к случайной поверхности океана, г - радиус вектор в подстилающей плоскости, ô .- радиус вектор, в плоскости изображения, -V(r,4(г)) - коэффициент отражения, А(г) -амплитуда поля падающего излучения, С - константа, h(r,ö) -передаточная функция оптической системы.

Приближенное аналитическое вычисление интеграла (1) было произведено на основе привлечения факта частичной когерентности падающего излучения и использования методологического приема, состоящего в . замене быстроосцилирующих в масштабе области когерентности подынтегральных членов их средне-статистическими значениями, что позволило получить конечные выражения, которые можно использовать для целей компьютерного ситеза изображений.

Выражение для определения вклада в яркость изображения диффузного отражения толщей океана, содержащей дискретные рассеиватели,получено с помощью . решения уравнения переноса излучения для случая падения исходного Излучения на полубесконечную среду со случайной границей раздела

- - -- - -»f -S grad I(r,s)+otI(r,3)= fо(s,a )I(r,s )dil4, (2)

I(?,s)'g = I0(s>, (3)

где il телесный угол, I(r,s)- энергетическая яркость в точке с

' координатой г в напрвлешш единичного вектора а, о(а,з дифференциальное сечение рассеивания единицы объема толщи океана, S- поверхность океана, 10(з)~ распределение падающего излучения. При решении задачи (2,3) использовалось приближение первого порядка теории многократного рассеивания.

Компонента яркости изображения, обусловленная' собственным излучением океана, оценивалась на основе применения классического закона излучения Кирхгофа в каадой точке поверхности.

Определено влияние турбулентно-аэрозольной структуру атмосферы на процесс формирования- аэрокосмических изображений. Данный вопрос рассмотрен в рамках приближения параболического уравнения

О п m , ili3 { 21k—+ £ Д- £ Л,+— Q Ш =.0, .(4)

аг i=i 1 i=i 1 4 п-га

где к - волновое число, г - координата вдоль .направления

распространения поля излучения, операторы Лапласа,

действующие по координатам векторов pi, р^ в перпендикулярной к

направлению распространения 'плоскости, Mn m - статистический

момент порядка (m+n)амплитуда u(z,p) поля излучения, определяемый

статистическим средним

Mn/m=:<u.<2,p1)...u(z.pn?u Tz,pj)..íu (2,p¿)>, (5)

функция Q^ и определяется выражением

nn п m m m

n,m 1=13=1 1 J 1=13=1 1 3 i=1 j=1 1 3

гд e ' -

- o(к/k) - -

А(р)=2тс Г [Фс(к -з—) cosí* p)d и . (7)

Z 2жк4 .

В выражении (7) Ф£(и)-спектр турбулентных флуктуаций диэлектрической проницаемости атмосферы, о(*/к)-дифференциальное сечение

рассеивания единицы объема аэрозоля.

Использование параболического уравнения (4) для описания процесса распространения излучения через среду, содержащую дискретные рассеиватели,основывается на введении непрерывной среды, эквивалентной дискретной по рассеивающим свойствам. Выражение (7) отражает суть данного формализма.

С помощью полученной на основе решения параболического уравнения корреляционной функции оценена величина флуктуация интенсивности, вызванных совместным действием турбулентных пульсаций диэлектрической , проницаемости и атмосферным аэрозолем.

В третьей главе изложена методика компьютерного синтеза аэрокосмических изображений.

Проведен анализ аппаратной функции оптической системы регистрирующей излучение, прошедшее через турбулентно-аэрозольную среду и установлено , что пространственное разрешение при аэрокоскических наблюдениях определяется радиусом корреляции турбулент.чых флуктуация интенсивности.

Разработан способ приближенного описания процесса формирования изображений оптическими- системами, основывающийся на двухмасштабном по отношению к .пространственному разрешению представлении поля волнения. Такое представление позволяет при синтезе изображений имитировать только крупномасштабные компоненты волнения, пространственный спектр которых соответствует длинам волн, превышающее величину элемента разрешения. Вклад мелкомасштабных волн, длина которых меньше величины элемента разрешения, определяется аналитически на основе ¡Предположения об эргодичности случайного поля волнения, что позволяет при расчетах пространственное усреднение заменить

статистическим. Получено оОщее выражение, связывающее яркость изображения океана с локальной яркостью поверхности, образованной крупномасштабными компонентами волнения и среднестатистическим значением яркости волн мелкомасштабной части пространственного спектра волнения. Для конкретных моделей коэффициента отражения поверхности, океана,сечения рассеивания толщи океана и углового распределения излучения атмосферы полученное выражение представлено в виде разложения в ряд с точностью до членов второго порядка по компонентам случайного поля наклонов поверхности, которые, в соответствии с данными экспериментальных исследований, являются малыми параметрами. Данное представление дает возможность определить аналитически статистические средние, необходимые для вычисления яркости мелкомасштабной части волнения.

Рассматривается влияние возникающего при волнении ценообразования на формирование аэрокосмических изображений. Оценка, вклада пены в компоненту яркости изображения, обусловленную мелкомасштабными волнами, основывается на эмпирической зависимости процентной доли поверхности океана, покрытой пеной, от скорости ветра и модельном механизме формирования изображения пены как процессе рассеивания падающего на поверхность океана излучения совокупностью воздушных пузырьков.

Резюмируются результаты исследований процесса формирования аэрокосмических изображений океана и описывается процедура компьютерного синтеза, состоящий из следующих операций:

I. Задается исходная информация о процессе дистанционного зондирования, включающая следующие данные. : характер метеоусловий (пасмурно, ясно), направление и скорость ветра,

угловая высота солнца, высота наблюдения, диаметр апертуры и фокусное расстояние оптической счстемы, среднее значение структурной характеристики • турбулентности , аэрозольная оптическая толщина атмосферы.

2. Определяются пространственное разрешение оптической системы и граница разбиения спектра волнения на мелкомасштабную й крупномасштабную части.

3. С помощью генератора случайных чисел моделируется набор случайных величин , имеющих гауссовское распределение , и имитируется реализация поля наклонов крупномасштабных волн.

4. Численно определяется компонента яркости, соответствующая вкладу крупномасштабных волн.

5. Аналитически рассчитывается яркость, обусловленная вкладом мелкомасштабных волн и пены.

6. Находится суммарная яркость всех компонент.

7. Генерируется случайное число и расчитывается величина атмосферной флуктуации яркости.

8. Определяется результирующая яркость пикселя изображения'с учетом атмосферной флуктуации.

Четвертая глава посвещена разработке информационно моделирующего комплекса для решения . задач исследования океана с помощью имитации процесса дистанционного зондирования. '

Дается краткая ■характеристика функциальных возможностей ксмплокса и приводятся примеры синтезированных изображений океана.

Излагается методика проведегаш вычислительных экспериментов по оценке и оптимизации наблюдаемости объектов и явлений в океане с испольговзнием информационного моделирутего комплекса.

/

Разработан, основанный на общих принципах статистической теории принятия решений, информационный критерий для оценки наблюдаемости объектов на случайном Фоне, обобщающий понятия обнаружения и идентификации, определяемый как

.среднестатистическое значение отношения функционала плотности вероятности суммарного юля яркости объекта и фона к функционалу

плотности вероятности фона

Р№ф(р,а)+1Ыр,£)]

К(а,£) = < -—- >, (8)

РШф(р,а>)

где иф(р,а)~ распределение яркости фона, 1Ыр,$)- распределение яркости объека, а - вектор параметров, описывающих условия наблюдения, ]3 - вектор параметров состояния объекта, РДО(р)) -функционал плотности вероятности, определяемый для гауссовских случайных полей соотношением РШ(р))"=ехр{/»(р1-рг)0(р1)и(рг)(1гр1(1грг}>(9)

где «(рур2)-обратная корреляционная функция случайного поля и(р).

Методика оптимизации наблюдаемости основывается на максимизации введенного критерия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ГО5ЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАЩИТЕ.

1. Разработана математическая модель дистанционного зондирования океана в оптическом диапазоне, учитывающая совместное влияние на формирсвшшб аэрокосмлческих изображений процессов рассеивания поверхностью и толщей океана излучения солнца и излучения атмосферы при наличии ветрового волнения и ценообразования, собственного излучения и прохождения излучения через турбулентную атмосферу, содержащую, аэрозольные частицы.

2. Показано, что в турбулентно-аэрозольной атмосфере

пространственное разрешение оптических систем, формирующих ээрокоомичвскив изображения, определяется радиусом корреляции турбулентных флуктуация интенсивности и дана оценка-величины этих флуктуаций,

3. Разработана методика компьютерного синтеза аэрокосмических' изображений океана, в основе которой лежит двухмасштабное (по отношению к пространственному разрешению оптической системы наблюдения) представление поля волнения. Введенное представление позволяет в процессе синтеза изображений имитировать только крупномасштабное компоненты пространственного, спектра волнения, а вклад мелкомасштабных волн и пены в яркость изображения определить аналитически.

4. Разработан и внедрен информационно-моделирующий.комплекс для проведения вычислительных экспериментов по отладке алгоритмов обнаружения, исследованию и оптимизации наблюдаемости аномальных образований в океане при дистанционном зондировании в оптической диапазоне.

5. Сформулирован информационный ' критерий наблюдаемости объектов на случайном фоне, обобщающий понятия обнаружения ц идентификации. Разработана методика проведения вычислительных экспериментов по оптимизации наблюдаемости, основанная на максимизации введенного критерия.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ опубликовании в следующих работах:

I. Еагманов В.Х., Султанов А.Х. Определение характеристик светового фона от облака светящихся частиц. /В кн.: Разработку систем технического зрения и их применение в промышленности/ Тезисы докл, всесоюзн. научн.-техн. конф. - Уфа, 1991, с.92,

2. Bagnanov V.H, Sultanoy А.Н. Information system for alrailat}.Of)

of ocean surface image in optical remote sensing. IAF 92-ÖI12, 43 rd Congress of the Internation Austronautleal Federation, Aug.28-Sept.5, .Washington, 1992.

3. Багманов В.X..Султанов A.X. Проблемы имитационного моделировэ1шя изображений поверхности земли. Сб.т рудов УАИ, Уфа, 1992, сЛ16-125.

4. Kuslmov S.T.»Ilyasov B.C., Bagmanov V.H..Sultanov A.H. The modelling of the ocean surface Image In optical remote sensing. Prec. of Asia Pasiflc Conf. on control and raeasureraent. Trans.of Nanjing Univ. of aeronautics and astronautic, 1993, VOl.10, * 1, p.271-274.

.'<_

Подписано в печать 25/П-94 г. Заказ 96. Тираж IQO экз. Ротапринт Башкирок, ун-та.