автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение радиояркостного контраста земных покровов при дистанционном зондировании методами пассивной радиополяриметрии

ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

/•г Б О

На правят рукописи _ лит 1(ЗПл УДК621.396.967:581.5

ЕВСТАФЬЕВ АНАТОЛИЙ ИВАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАДИОЯРКОСТНОГО КОНТРАСТА ЗЕМНЫХ ПОКРОВОВ ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ МЕТОДАМИ ПАССИВНОЙ РАДИ ОМ ОЛЯ РИ М ЕТР И И

Спец. 05.12.04" Радиолокация и Радионавигация "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете Гражданской Авиации (МГТУ ГА) на кафедре физики

Научный руководитель - доктор физико-математических наук профессор Вагапов Р.Х.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор

Троицкий В.И. кандидат технических раук ( ; Кораблев А. Ю.'

Ведущая организация - Гос. НИИ "Аэронавигация"

Защита диссертации состоится 1998 г.

на заседании диссертационного Совета Д 072.05.03 по присуждению

ученой степени кандидата технических наук в Московском Государствешюм Техническом Университете Гражданской Авиации по адресу: 125838 , Москва, Кронштадтский бульвар д. 20 .

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д072.05.03 А.С. Попов

доцент, кацдцдат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современный этап развития методов дистанционного зондирования нашей планеты характеризуется широким спектральным диапазоном исследований (от ультрафиолетового до микроволнового). Раднофнзтеские методы дистанционного зоцднроваши имеют по сравнению с другими методами исследования земных покровов существенные преимущества, так как позволяют оперативно и непрерывно получать ш<формацпю в любое время суток и почти при любых метеорологических условиях. Полная информация об излучательных свойствах исследуемых покровов может быть получена только из поляризационного анализа принимаемого излучения . Зондирование объектов предполагает однозначную интерпретацию получаемой информации , т.е. требуется обеспечить максимальный контраст двух рядом расположенных объектов ( излучателей ) , имеющих одинаковую природу вещества.

Актуальность дисссртацнонион работы заключается в том, что в ней предложен машинный анализ некоторых моделей исследуемых покровов и оптимизация приема микроволнового излучения.

Цель работы.

Целью работы является анализ повышения точности измерений раднояркостной температуры зондируемых покровов, улучшение различимости и классификации исследуемых объектов, а также формирование требовании к радиометрической аппаратуре для оптимального приема микроволнового излучения.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

1. Анализ модельных представлений форм1грования микроволнового излучения естественных земных покровов.

2. Решение задачи о различимости зондируемых покровов в пассивной радиополяриметрии.

3. Формирование основных требований, предъявляемых к радиометрической аппаратуре для приема и анализа микроволнового излучения.

4. Разработка и анализ моделей земных покровов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Проведен анализ связи рздиояркостной температуры со статистическими характеристиками интегральных излучательных параметров зондируемых покровов.

2. Рассмотрены методы классификации зондируемых покровов при обработке сигналов радиотеплового излучения в микроволновом диапазоне.

3. Решена задача повышения вероятности обнаружения температурного контраста зондируемых покровов.

4. Разработаны дифференциальные и статистические методы анализа ошибок измерения при радиополяриметрическом исследовании естественных покровов.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты позволяют:

1. Установить связь измеряемой раднояркостнон температуры с электрофизическими параметрами зондируемых покровов.

2. Применять методы статистической классификации зондируемых покровов для определения их состояния.

3. Повышать вероятность обнаружения различных покровов по их температурному контрасту.

4. Формулировать требования, предъявляемые к радиометрической аппаратуре.

5. Оптимизировать прием микроволнового излучения зондируемых покровов.

На защиту выносятся:

1. Методы обнаружеши, классификации и моделирования микроволнового излучения естественных земных покровов.

2. Решения задач по оптимизации приема и анализа микроволнового излучения естественных покровов.

Апробация работы:

Гсзулыагы работы докладывались из научно-технических семинарах МГТУ ГЛ (1993 - 1996 г.г.) и на Международной научно-техтпескон конференции 2829.05.1996 г. Современные научно-технические проблемы гражданской авиации, г. Москва, МГТУ ГЛ

Публикации По материалам диссертации опубликовано 4 статьи.

Структура и объем диссертационной работы:

Работа состоит из введешю, четырех разделов, заключения п списка цитируемой литературы.

Общий объем диссертации составляет 101 страниц н включает 37 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 58 наименовании.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РЛШТМ.

Во пведешш обосновывается актуальность проведенных нсследова1ПШ, дается общая постановка задач, решаемых в диссертационной работе.

В первом разделе анализируются поляризационные характеристики радиотеплового излучения. При дистанционном зондировании исследуемых подстилающих покровов Земли основным информационным параметром является радиояркосшля температура , которая характер!пуст степень тгтенсивности раднотеплопого излучеши объекта . При этом существенным дополнительным источником информагцш является поляризационное состояние электромагнитной волны . Излучательная способность подстилающих покровов определяется их электрофштпескими характеристиками , распределеиием температуры и геометрией.

При определении излучателт.ной способности естественных покровов в зависимости от вида поляризации, угла наблюдения и частоты, необходимо

учитывать большое -тело факторов. I) то же прем» при рстешш практических задач учет всех факторов не всегда требуется, так как в зависимое™ от физических условии исследования п проведения измерении можно выделить только некоторые основные параметры излучения. П связи с этим возникают задачи классификации покровов а подбора параметров так, чтобы охватить наибольшее количество классов В этом разделе рассмотрены основные модели реальных покровов, где 1 качестве исходной модели выбрано однородное полупространство, все же остальные модели получены последовательным введением в эту модел! геометрических неоднородно«си и электрических возмущении.

В диссертационной работе рассмотрены следующие математические моделт изменения диэлскгрическон проницаемости зондируемых покровов:

1. Эмпирическая модель, использующая формулы:

И = ЬУ

где: п - показатель преломления N - удельное затухание в дб/ем V - относительный объем жидкой фазы во льду

а н Ъ - коэффнцис1гга, определяемые экспериментально н< зависимостям п и N от температуры и солености льда лля различных ллт воли

2. Лгшейная модель тменскня диэлектрической проницаемости:

г. - ■ Ь . (2

" -''г)',

где 7. - переменная толпрша переходного слоя ^

г.', и - днэлемрнчсские проницаемости льда и морской вод соотв стст Bei шо;

t - толщина переходного слоя

V 'Жспонснциальная модель диэлекфнчеекои проницаемости нероходно1 слоя морского льда:

r^N-e-™* , (:

»r 2«. in £, /■'•', где: N - е,е , а------21

4. Полиноминальная модель изменения диэлектрической проницаемости переходного слоя морского льда:

£ = (az + b)K , (4)

где:К=(1,2,...), в = |(е**-sf), b =

Для этих моделей проведен машинный анализ их соответствия реальным процессам. Для описания физических процессов, происходящих в морских льдах были использованы данные, полученные в ЛЛПИИ.

Па основашт этих моделей были составлены программы, которые были написаны на алгоритмическом языке Фортран-4 и реализованы на ЕС ЭВМ. Все эти программы объединяла основная программа, выполняющая также функции ввода и вывода. Управление математической моделью осуществлялось посредством набора управляемых операторов. В ходе математического моделирования решались следующие задачи:

1) процесс изменения радиояркостной температуры в зависимости от толщины льда;

2) процесс изменения радиояркостной температуры в зависимости от угла визирования радиометра;

3) влияние выше указанных факторов на коэффициенты отражения шгкроволнового излучения.

Анализ результатов математического моделирования позволяет сделать ряд заключений.

Использование эмпирической модели изменения диэлектрической проницаемости морской» льда дает близкое совпадение с натурными измерениями (ошибка составляла -1,5%). По мере увеличения угла визирования ошибка росла (для <? = 30° ошибка составляла более 10%).

При использовании линейной модели результаты машинного эксперимента показали, что качественные зависимости радиояркостной температуры от угла визировали« соответствуют теоретическим положениям. Сравнительный анализ для количественных результатов показывает, что при малых толщинах морского льда (до70 см) наблюдается заметное расхождение результатов моделирования и натурных измерений. В этом диапазоне толщин льда по мере увеличения толщины слоя морского льда ошибка измерения радиояркостной температуры имеет тенденцию уменьшаться (от 40% до20%). В диапазоне толщин льда (70-120 см)

наблюдаете* удовлетворительное соответствие сравниваемых результатов (от 20% до 4%). Таким образом, при средних толщинах льда (70-120 см) лилейная модель диэлектрической проницаемости в переходном слое морского льда практически соответствует реальным характеристикам льда. Однако, при больших толщинах льда (свыше 140 см) значения радиояркостных температур, полученных в результате моделирования, существенно отличаются от натурных измерений (ошибка составляет ~ 60%). Сравнение данных машинного эксперимента с натурными измерениями с точки зрения влияния измерения угла визирования, показывает, что увеличение угла визирования заметно увеличивает ошибку между сравниваемыми значениями радиояркостной температуры (при 0 = 0° ошибка ~ 1,5%, при в = 30° ошибка ~ 20%).

Для экспоненциальной модели общие закономерности, выявленные при анализе линейной модели, справедливы и для этого случая. Однако, здесь наилучшее соответствие между натурными измерениями и результатами машинного моделирования наблюдаются при значительных толщинах морского льда (более 120 см). При малых же значениях переходного слоя экспоненциальная модель дает заметное несоответствие натурным измерениям.

Полиноминальная модель дает результаты, которые практически ив стыкуются с результатами натурных измерений.

Таким образом, можно сделать следующие выводы. При толщинах переходного слоя (70-120 см) наилучшие результаты даст эмпирическая модель, а при толщинах (120-140 см) удовлетворительное соответствие дает экспоненциальная модель.

При небольших значениях утла визирования [р с 30") достаточно хорошо работает эмпирическая модель. При больших значениях угла визирования (0 > 30°) рассмотренные модели не дают соответствия натурным измерениям.

С целью анализа статистических свойств поляризационных параметров микроволнового излучения подстилающих покровов, рассмотрена связь радиояркостной температуры со статистическими характеристиками интегрзльныя излучательных параметров зондируемых естественных покровов Земли. Установлено, что измеряемая радпояркоептая температура ведет себя ка* случайный процесс, все связанные с ней определяемые параметры зондируемы? поверхностен носят стохастический характер и, следовательно, для повышенш

о

очности определения разл1гпп.гх параметров подстилающих поверхностей 1еобходимо осуществлять обработку принимаемых сигналов методами теории ттнмальной фильтрации.

Во втором разделе поставлена и в первом приближении решена задача ласснфикаюш зондируемых естественных покровов по их микроволновому плучению. Проанализирована работа классификаторов в условиях (етерминнрованного и статистического правил принятия репкашя о фшеадлежиоети зондируемого покрова к тому или иному классу .

Сформулированы основные требования, предъявляемые к радиометрической аппаратуре при решении задачи классификации зондируемых естественных токровов Земли.

Среди различных типов радиометров наибольшее распространение получили радиометрические модуляционные станции.

В практике радиометрических гомерений широкое распространите толучили двухкаиальные модуляционные радиометры, которые принимают здновременно два ортогонально поляризованных компонента излучения «щднруемого объекта. Структурная схема такого радиометра изображена на ниже гледующем рисунке (рис. 1).

Принцип действия данного радиометра заключаете» в том, что на вращающуюся антенну принимается сигнал от зондируемого объекта в какой-нибудь одной плоскости поляризации. Далее сигнал через крестообразный направленный отвегвитсль подается с циркуляторов в каждый из каналов. Циркуляторы, являющиеся модуляторами, попеременно подключают к СВЧ-тракгам приемников эталонную нагрузку или выходы направленного ответвителя для горизонтальной и вертикальной компонент принимаемого излучения.

Каждая из этих компонент усиливается в своем канале. Ортогональные каналы независимы друг от друга. Из структурной схемы, изображенной на рис. 1 видно, что радиометр представляет собой разомкнутую систему. Для надежного проведения классификации зондируемых покровов необходимо обеспечить максимально высокую точность измерения выделяемого информационного параметра - радиояркостной температуры. Добиться этого можно оптимизацией приемной структуры радиометра. Основными требованиями,

Гтттсттоная схема лвухканальдого модуляционного радиометра.

которые предъявляются к приемным устройствам радиометров, для решения задачи классификации зондируемых объектов, являются точность и достоверность получаемой информации. Данные требования трансформируются для радиометрических систем в необходимость совместной обработки информации в ортогональных каналах приемника и обеспечение с помощью обратной связи постоянного коэффициента усиления приемного тракта.

Эти требования выполняются путем огтпшдаэцни соответствующих трактов радиометра но определенный критериям, основным го которых может быть выбран критерий минимума среднеквадратичной ошибки измерения выделяемого параметра (мощность или радиояркостная температура).

Поскольку мощность и радиояркостная -температура являются случайными функциями времени и координат, т. е. представляют собой случайные процессы, то оптимшащпо приемных трактов радиометра следует выполнять, используя теорию фнльтращш, в рамках статистического синтеза.

Наиболее продуктивные результаты дает марковская теория оптимальной нелинейной фильтрации. Так как в рамках этой теории могут решаться задачи с линейными н нелинейными зависимостями, скалярными и векторными описаниями измеряемых величин, со стационарными и нестационарными случайными процессами.

Для уменьшения вероятности опшбкн в антенных устройствах необходимо предусмотреть возможность регулирования поляризационных параметров, другими словами, синтезировать аитеиы с перестраиваемыми параметрами при нешменноП антенной конструкции. На рис. 2 изображена упрощенная схема такой реализации, в состав которой входят синус-косинусные атенюаторы и фазовращатели. В третьем разделе рассмотрены вопросы различимости зондируемых естественных покровов в пассивной радиополярнметрин. Рассмотрены методы повышения вероятности обнаружен!« температурного контраста зондируемых покровов и решается задача повышети точности измерений радиояркостной температуры. Теоретические и практические исследования по зондированию естественных покровов свидетельствуют о том, что прием и анализ микроволнового излучения естественных покровов требуют вероятностного подхода. Следовательно, для повышения точности измерений необходимо решить задачу фильтрации информационного сообщения. С этой целью на базе марковской теории нелинейной

Рис.2

Структурная схема антенного устройства с управляемой поляризацией. Н0-каиьл8л<мкый 0Тбет&итель,и,-ии|ркулй70р;Пр-СВч »риёмник, КФ-кьаврлтичмыи -аеТЕК-Гор16У-в1л?ИС«СМЛКТ€ЛЬ,сР'£1-С}М>!ксвыЙ детгктор, И^т-иитгг/оост^ с *сили»«л«м Лестоймйогс' тока(ГОн-г«ке^лГср спорного эН-?те.ломчо»я нагрузка .

фильтрации получен алгоритм фильтрации сигналов микроволнового излучения естествешшх покровов:

Данный алгоритм получается из решения уравнения Фоккера-Планка:

Л Г,1 дХс 4 п длг

где Л' - среднее значите нормальной апостериорной плотности вероятности компонентов !(/), А'у(/) - комулягпы;

/¡"(л* (<),/) - функция, являющаяся производной по времени наблюдения от логарифма функции правдоподобия,

N - ковариационная матрица.

/,(а'(/\/| - детерминированные функции. Устройство моделирующее эти уравнения выдает оценки А*(/) компонентов А, (/), оптимальные по критерию максимума апостериорной плотности вероятности и обеспечивает минимальную средлсквадрапешую ошибку оценки параметра.

Реализация оггтималыюго приема сигналов микроволнового излучения от подстилающих покровов позволяет обеспечить потенциально достижимую точность определения поляризационных параметров, использование которых позволяет повысить вероятность обнаружения и классификации покровов

При измерении тсплорадиолокационного контраста двух излучателей важную роль играют их степени поляризационной анизотропности, степям поляризации микроволнового излучения этих объектов, знание которых позволяет увеличить контраст зондируемых покровов на 7+10 дБ. При этом применение оптимальной фильтрации может дать увеличение вероятности обнаружения контраста от 0,76 до 0.87 .

В этом разделе показано, что при исследовании слабоконграстных излучателей отнесение принимаемого потока излучения к излучателю один или два при одинаковой природе их излучения можно проводить путем сравнения

интенсивности их излучегпш с некоторым пороговым значением Т„. При этом, если радиояркосшая температура окажется меньше Тл то считается, что поток излучения создается первым излучателем, в противном случае - вторым.

Анализ различных комбинаций собственных поляризаций исследуемых покровов показывает, что правильный выбор поляризации антенной системы и соответствующего ей порога Т„ позволяет максимизировать вероятность принятия правильного решения при интерпретации получаемой информации об исследуемых объектах. Повышение вероятности принятия правильного решения о физической природе исследуемых покровов ведет в свою очередь к сокращению числа экспериментов, что связано с эффектностью использования летательных аппаратов (ЛА).

В четпертом разделе обсуждаются вопросы обработки результатов измерений и анализа погрешностей при пассивной радиополяриметрии естественных покровов. Протводится оценка точностных характеристик измеряемых величии.

Так, для модуляционного радиометра модель оценки входного сигнала представлена в виде:

Т = (1 - ßUl - R - X)T>/L + чТ-Jl - RJ\r + fc, + Tnr )% +

+ 0г,Тф И+ТоТ(\-„)л ТПР - ,h,rc„, (б)

где R и N - соответственно коэффициент отражения и поглощения материала; ТоК и Тов - термодшимическая температура воздуха в ЛЛ и за его пределами; L - интегральные потери в атмосфере;

Т, - эффективная температура излучения исследуемого покрова с учетом влияния

среды распространения;

Т,т - температура излучения атмосферы;

Тф - температура фона;

Тщ> - температура приемного тракта;

Тсн и tin - температура согласованной нагрузки и к.п.д. тракта.

Анализ точностных характеристик радиополяриметрических систем показывает, что наибольшую погрешность при калибровке аппаратуры по естественным источникам излучений вносят флуктуации радиояркостной температуры самих реперных источников излучения.

Покачано, что поляризационные измерения собственного микроволнового излучения естественных покровов наиболее целесообразно проводить с использованием модуляционного метода юмсрсшпЧ, дающего возможность проведения полного поляризашюнного анализа принимаемого излучения.

Вклад в суммарную погрешность каждого из источников ошибок различен и может быть оценен в зависимости от условий эксперимента, техтпгтеских характеристик аппаратуры, диапазона длин воли и т.д. Погрешность измерения, связанная с собственными шумами приемника, зависит от чувствительности СП1! -радиометра при известном времени накопления сигнала. В этом случае используют конс1руктвно~технологические методы снижения погрешностей выбором наибо/гес перспективных моделей СВЧ - радиометров , обладающих низким уровнем собственных шумов.

Суммар1гуго погрешность при радттметргтесютх гпмеренпях в общем случае следует рассматривать как случайную погрешность, математическое ожцдагтие которой будет систематическая погрешность, а корреляционная функция центрированной случайной величины будет случайной пофецшостью.

Основные результаты работы заключаются п следующем:

1. Проведен анализ связи рлдиояркостной температуры со статистическими характеристиками шгтетральиых излучателыплх параметров зондируемых нокровов.

2. Предложены методы классификации зондируемых покровов при обработке сигналов радиотеплового излучения в микроволновом диапазоне.

3. Решена задача повышения вероятности обнаружения температурного контраста зондируемых естественных покровов.

(. Сформулированы основные требования, предъявляемые к радиометрической аппаратуре для приема и анализа микроволнового тлучеппя.

5. Рассмотрена задача о различимости зондируемых покровов в пассивной радиополяриметрнн.

6. С помощью машинного анализа произведена проверка адекватности вводимых математических моделей, опись? гатотцнх процесс формирования микроволнового излучения естестветплх покровов Земли (на примере морских льдов) реальным фп-лпсским процессам.

7. Разработаны дифференциальные и статистические методы анализа ошибок измерения при радиополириметричсском исследовании естественных покровов.

Полученные результаты позволяют сформулировать следующие выводы

1. Решение задач дистанционного пассивного радиозондирования целесообразно осуществлять с учетом поляризационных параметров принимаемого микроволнового излучения естественных покровов, которые позволяют повысить информативность измерения радиояркостной температуры.

2. Для классификации естественных покровов необходимо рассматривать различные модели излучения этих объектов.

3. в общем случае измеряемая раднояркостная температура является случайной величиной, поэтому необходим статистический подход к анализу принимаемого

микроволнового излучения зондируемых покровов.

4. Применение оптимальных методов приема микроволнового излучения зондируемых покровов позволят- повысить точность измерения радиояркостной температуры, а, следовательно, повысить вероятность обнаружения и классификации покровов.

5. Применение модуляционного метода измерения дает возможность проведения полного поляризационного анализа принимаемого излучения.

6. Статистический метод оценки пофсшностсй измерений позволяет выбрать оптимальный массив измерительной информации для однотипных участков измерений, что в свою очередь приводит к снижению погрешностей.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Баталов Р.Х. , Евстафьев А.И. Метода обработай поляризационных измерений при дистанционном зондировании естественных покровов Земли. В сб. научных трудов . Теория и практика дистанционного радиозондирования - М. : РИОМГГУ ГЛ 1993, 9-17 с.

2, Ваганов Р.Х. , Евстафьев А.И. Имитационное моделирование мшфоволнового Iг!лучения естественных покровов Земли. В сб. научных трудов . Теория и практика дисташрюнного радиозондирования _ М. : РИО МГТУ ГА , 1993, 43-57 с.

3. Вагапов Р..Х. , Евстафьев Л.И. . Принципы огттимизацт! авиационных комплексных систем дистанционного зондирования. Межвузовский тематический сборник научных 1рудов. М.: РИО МП'У ГЛ, 1987, 153-158 с.

4. Вагапов Р.Х. , Евстафьев А.И. , Мухай А. Н. . Оценка точностных характеристик измеряемых величин в раяиополяриметрии земных покровов в сб. научных трудов. Теория и практика дистанционного радиозондирования . М.: РИО МГТУ ГА 1998.

Соискатель

Евстафьев А.И.

ЛР № 020580 от 23.06.97 г. Подписано в печать 7.09.98 г.

Печать офсетная Формат 60X84/16 1,0 уч.-изд.л.

0,93 усл.печ.л. Заказ № 1461Тираж 60 экз.

Московский государственный технический университет ГА

Редакционно-издательский отдел

125493 Москва,ул.Пулковская,д.6а

Московский государственный (с) технический университет ГА.1998