Локально-адаптивна стійка фільтрація сигналів і зображень у багатоканальних системах дистанційного зондування

Якщо залишкові похибки суміщення є невеликими, доцільним є застосування розробленого нами векторного LQ-ЛАФ. Цей фільтр передбачає жорстке переключення між векторним -урізаним фільтром (5х5) і векторним медіанним фільтром (з вікном 3х3) на основі розробленого векторного аналога квазірозмаху. LQ-ЛАФ є робасним до імпульсних завад, при чому більш висока стійкість досягається за умови використання норми L1 замість звичайної евклідової метрики.

Запропоновано також модифікований векторний сигма фільтр (МВСФ). Аналогічно до МСФ методика обробки даних у МВСФ базується на детектуванні імпульсних завад (у цьому випадку для кожної компоненти застосовують МСФ) та зсуві багатовимірного околу до центру розподілу. Перевагою МВСФ є його здібність дуже добре зберігати межі та деталі, що мають слабкі контрасти у компонентних зображеннях завдяки урахуванню взаємної корельованості компонент багатоканальних РЛЗ або кольорових зображень. Цю властивість було успішно використано під час обробки реальних багатоканальних РЛЗ (одна з компонент була сформованою довгохвилевим РСА) для виявлення підповерхневих об'єктів.

Проведено порівняльний аналіз запропонованих векторних фільтрів (МВСФ і LQ-ЛАФ), відомих векторних фільтрів та кількох алгоритмів покомпонентної обробки багатоканальних зображень. Підтверджено, що векторні фільтри перевершують свої компонентні аналоги. МВСФ краще зберігає межі, деталі та текстуру, ніж найкращий серед відомих векторних фільтрів - модифікований урізаний з двійним вікном, а векторний LQ-ЛАФ перевершує цей фільтр за стійкістю до імпульсних завад.

Запропоновані методи суміщення та фільтрації багатоканальних РЛЗ було застосовано до вирішення задачі дистанційного визначення характеристик ґрунтів без рослинності. При цьому було використано радіофізичну модель, яка описує УЕПР у вигляді добутку де - функція, яка характеризує діелектричні властивості поверхні, що залежать від вологовмісту, довжини хвилі , кута спостереження і типа поляризації pp, а функція характеризує шорсткість поверхні, яка пов'язана зі ступенем її еродованості. За умови одночасної реєстрації даних ДЗ на одній частоті з двома поляризаціями та на одній з поляризацій на іншій частоті багатоканальні методи ДЗ дозволяють "розділити" ці фактори й отримати оцінки відповідних параметрів. В результаті обробки фрагмента багатоканального РЛЗ, що представлено на рис. 7,б, по даних ДЗ було отримано мапу еродованості поля без рослинності (рис. 7,в). Для цієї тестової ділянки контактними методами було проведено виміри для контрольних точок та їх порівняння з результатами класифікації дистанційними методами. Для всіх контрольних точок результати класифікації дистанційними та контактними методами співпадають. Розглядалися чотири класи: сильно, середньо, слабо та нееродований грунт (показано 4-ма градаціями сірого кольору на рис. 7,в). Різниця значень отриманих співвідношень УЕПР від теоретично передбачених не перевищує 1 дБ.

Застосування відповідних радіофізичних моделей для визначення характеристик поверхонь є можливим лише після вирішення задачі визначення типа ділянки - ліс, грунт без рослинності, сніг, водна поверхня, тощо. Для вирішення цієї задачі було запропоновано та апробовано використовувати НМ (тришарові персептрони та НМ з радіальними базисними функціями), доцільність застосування яких у цьому випадку зумовлено спроможністю НМ виконувати розподіл класів у негаусовському просторі ознак, що є характерним для багатоканальних даних ДЗ. НМ, навчена по вибірках розміром 180 відліків векторних даних за допомогою каскадно-кореляційного методу, дала результати розпізнавання трьох класів (ліс, грунт, поле з рослинністю), що наведені на рис.7,г. Для даного фрагменту була топомапа місцевості, тож за оцінками вірогідність правильного розпізнавання класів Pcorr>0,93. Для тестової ділянки всі піксели було класифіковано правильно (фрагмент у центрі рис. 7,а,б,г).

Ефективність запропонованого багатоетапного підходу до обробки та інтерпретації даних багатоканального ДЗ підтверджено також результатами чисельного моделювання. Для тестового багатоканального РЛЗ було промодельовано завади та залишкові похибки суміщення. Розпізнавання було проведено трьома методами - з використанням Байєсівського класифікатора, персептрона та НМ на основі радіальних базисних функцій. Розпізнавання було виконано для первинних (не оброблених) зображень і для РЛЗ після покомпонентної та векторної обробки з використанням ДАВФ. Значення Pcorr і параметри НМ (оптимальна кількість нейронів у прихованому шарі Nh) наведено у табл. 3.

Таблиця 3 -

Вірогідність правильної класифікації Pcorr тестового зображення (одна компонента з Релеївською ЩРЙ мультиплікативних завад) з використанням різних методів

Очевидно, що для будь-якого класифікатора доцільно виконувати попередню фільтрацію РЛЗ, при цьому більш ефективною є векторна фільтрація. НМ для застосування, що розглядається, забезпечують більш високу Pcorr. НМ з радіальними базисними функціями виконує класифікацію більш надійно та вимагає меншої кількості нейронів у прихованому шарі, аніж персептрон. Значна доля похибок розпізнавання спостерігається в околах меж об'єктів, що робить доцільним урахування даних первинного локального розпізнавання для підвищення надійності класифікації.

У п'ятому розділі наведено результати розробки та використання методів адаптивної стійкої фільтрації для вирішення задач підвищення точності первинних оцінок параметрів у різних типах ІВС.

Для пасивних ГАС дистанційного зондування з інтерферометричними антенами обґрунтовано моделі просторово-часових сигналів, завад і ефектів, що зумовлено неідеальністю середовища розповсюдження коливань. Моделювання та представлення сигналів проводилося у спектральній області, а відгуки аналізувалися і оброблялися у часовій області. Показано, что у конкретних умовах функціонування ГАС переважаючий вплив на точність вимірювань кутових координат об'єкта можуть чинити різні фактори: адитивні завади та умови розповсюдження коливань для великих дистанцій, протяжність об'єктів та їх рух для малих дальностей. За умови домінуючого впливу адитивних завад (якщо співвідношення сигнал-завада по потужності 0 є малим) неминучим є виникнення аномальних похибок вимірювання взаємної затримки та, відповідно, кутових координат, коли Pан починає суттєво відрізнятися від нуля. Це має місце, якщо потенційне середньоквадратичне відхилення оцінок перевищує 0,1 ШГП і автокореляційної функції (АКФ) інформаційної складової R() коливань, що приймаються. Досліджено закон розподілу аномальних оцінок взаємної затримки, вигляд якого залежить від рівня позитивних БП АКФ R() і значення 0. Поява аномальних оцінок затримки є також можливою внаслідок домінуючого впливу середовища розповсюдження, але у цьому випадку закон їх розподілу помітно вужчий, ніж у попередньому.

Запропоновано кілька стійких та адаптивних методів покращання статистичних характеристик первинних оцінок взаємної затримки. Вони базуються на припущенні, що ШГП інформаційної складової і вихідного ефекту (ВЕ) Y() у більшості випадків перевищує ШГП АКФ адитивних завад a. Один з запропонованих алгоритмів передбачає апроксимацію Y() в околі найбільшого максимуму поліномом другого ступеня, а інший алгоритм - використання метода перетину в тому ж околі. Для обох алгоритмів запропоновано стійкі й адаптивні способи вибору порогів, обидва є здатними забезпечити зменшення дисперсії нормальних оцінок на 10-30%, але їх застосування не призводить до зниження Pан.

Запропоновано також адаптивні методи одновимірної лінійної та нелінійної фільтрації одиничних ВЕ, які є фактично наближенням до оптимальної обробки ВШСС за умов малих 0. Розмір апертури фільтра доцільно вибирати меншим за і, але більшим за a, розроблено алгоритми оцінювання цих параметрів. Використання цих методів призводить як до зменшення , так і до деякого зниження Pан для первинних оцінок взаємної затримки. Але значення Pан всеж-таки можуть залишатися занадто великими (більше 0,05). Для таких випадків досліджено можливості застосування методів нелінійної фільтрації оцінок. Розроблено методи вторинної обробки результатів вимірювань з застосуванням одновимірних локально-адаптивних стійких фільтрів на основі одновимірного Z-параметра, що аналогічний (5).

З метою синтезу таких ЛАФ для випадку, коли інформаційна складова {} процесу вигляду (2) описується гладкою функцією, проведено попереднє дослідження динамічних і статистичних характеристик ряду нелінійних фільтрів: Віл-коксона, Ходжеса-Лемана, -урізаного, медіанного, КІХ-медіанного гібридного. Для перших трьох фільтрів отримано узагальнюючі співвідношення, що пов'язують їх динамічні та статистичні характеристики з відповідними характеристиками лінійного усереднюючого фільтру з тим же N за умов відсутності викидів. Продемонстровано різке погіршання здатності медіанного та КІХ-медіанного гібридного фільтрів придушувати завади на ділянках сигналу {}, що лінійно змінюються.

Синтез ЛАФ проведено шляхом мінімізації для кожного відліку сумарної похибки, що дорівнює сумі квадрата зсуву та дисперсії залишкових флуктуацій. Тоді залежно від динамічної похибки, що визначається параметром , та дисперсії завад для кожного (і-го) відліку оптимальний розмір апертури повинен вибиратися так: для фільтру Вілкоксона як , а для -урізаного фільтру як . З використанням співвідношень та для N, при якому було виконано попередню фільтрацію та розрахунок Zі, легко перейти до схеми з жорстким переключенням Nі (від Nmіn до Nmax) для ЛАФ на основі порівняння Zі з порогами, що розраховані заздалегідь у відповідності з розробленими методиками.

Доведено, що у більшості практичних ситуацій розроблений ЛАФ виконує обробку більш ефективно, ніж будь-який неадаптивний фільтр, що використовується у ЛАФ як компонентний та має N від Nmіn до Nmax. Для випадків вторинної обробки інформаційних процесів з розривами першої похідної {}, наприклад, скачками, запропоновано модифікації ЛАФ з детектуванням перепадів і детектуванням викидів на основі сумісного аналізу значень Zі та параметру , де Nіnt - розмір апертури попереднього фільтру, {} сигнал на його виході. Удосконалений варіант - ЛАФ з детектуванням викидів та перепадів - є найбільш універсальним, але навіть він не здатен ефективно усунути всі аномальні вимірювання за умови Pан>0,10-0,15). Високу ефективність розроблених ЛАФ продемонстровано також для випадку обробки ЕКГ-сигналу.

Для ефективного усунення аномальних похибок в масиві значень оцінок кутових координат запропоновано представляти одновимірні ВЕ, що послідовно формуються, у вигляді двовимірних зображень та отримувати після використання розроблених методів ЦОЗ. Вигляд такого двовимірного ВЕ (виконувалась кореляційна обробка ВШСС, що приймались горизонтальною інтерферометричною антеною) наведено на рис. 8,а. Положенням головних максимумів ВЕ відповідає світла лінія переважно вертикальної орієнтації, розриви на якій відповідають інтервалам накопичення, для яких мали місце аномальні похибки вимірювань. На рис. 8,б чорним кольором показано положення координат найбільших максимумів у строках, що приймаються як .

У зв'язку з цим був розроблений ряд модифікацій методів і алгоритмів, застосування яких у практиці ЦОЗ орієнтоване на збереження та виявлення ліній. Запропоновано нелінійні та лінійні фільтри з субапертурами з різними фіксованими та адаптивними конфігураціями, застосування яких дозволило досягти Pан для нижче за 0,01 за умови Pан для порядку 0,2 - 0,3. Розглянуто також процедури, що базуються на застосуванні локального перетворення Радона, що забезпечують ще більш ефективне усунення аномальних вимірювань, особливо в сукупності з вищезгаданою фільтрацією, якщо вона реалізується до цих операцій. Оцінки (координати максимумів у строках індиковані білими пікселами) для цих методів обробки двовимірних ВЕ показано на рис. 8,г,д. Очевидним є різке зниження Pан для . Наведено також дані чисельного моделювання для за-пропонованих і відомих методів обробки (типа усереднення взаємних спектрів) і показано переваги розроблених методів, що дозволяють зменшувати Pан для до рівня менше за 0,01 за умов Pан 0,4-0,5 для первинних оцінок.

ВИСНОВКИ

У дисертації розвинуто новий науковий напрямок - теорію локально-адаптивної нелінійної фільтрації сигналів і зображень і запропоновано нелінійні багатоетапні методи обробки одновимірних, дво- та багатовимірних сигналів та зображень у багатоканальних комплексах ДЗ, РТС та ІВС, які здібні успішно функціонувати в умовах впливу складних (адитивних, мультиплікативних та імпульсних) завад та інших деструктивних факторів за умов обмежених апріорних відомостей про їх характеристики. Розглянуто загальні підходи до вирішення проблеми підвищення характеристик точності багатоканальних систем ДЗ, РТС та ІВС, покращення їх робасності, забезпечення виконання основних функцій в умовах складної сигнально-завадової обстановки та запропоновано конкретні шляхи досягнення бажаних властивостей з демонстрацією їх ефективності для модельних та реальних даних.

Головні висновки можна сформулювати наступним чином:

1. Показано, що необхідні ефективність і надійність обробки сигналів і зображень у багатоканальних системах ДЗ, а також бажана точність вимірювання параметрів сигналів та об'єктів не можна досягти за умови використання існуючих лінійних та нелінійних (включаючи адаптивні) методів обробки даних, що зумовлено або їх недостатньою робасністю, типовою для лінійних методів, або проблемою забезпечення необхідного компромісу властивостей (для нелінійних неадаптивних методів).

2. Доведено, що під час вирішення задач аналізу та розробки методів фільтрації одно-, дво- та багатовимірних сигналів і зображень доцільним є використання запропонованих модельних представлень, які враховують адитивну, мультиплікативну та імпульсну складові завад та інші деструктивні фактори, з одночасним використанням кількох критеріїв ефективності обработки та вказанням їх пріоритетів.

3. Запропоновано ВВ і аподизуючі функції для АГ і систем ЦОС, застосування яких є доцільним під час вирішення різних практичних задач, бо за умови однакового РМБП вони забезпечують ШГП відгука, що лише на 8-15% більше, ніж для ВО ДЧ, і на 2-4% менше, ніж для ВО КБ, при цьому для східцевих ВВ рівень максимальної БП відгука можна змінювати у межах від -20 до -45 дБ, а для інших запропонованих ВВ можна досягти ще більш низький РМБП; при цьому забезпечується можливість реалізації ВВ у багатоелементних АГ при наявності конструктивно-технологічних обмежень, висока швидкодія в АГ і СФЗ з ЦОС, стійкість параметрів ДС до впливу завад і викривлень; крім того, запропоновані та розроблені методи оптимізації і аналіза характеристик ВВ та відгуків можна використовувати для вирішення інших задач - локального придушення БП, синтеза двовимірних АГ, покращення характеристик відгуків у РСА та точності їх калібровки.

4. Запропоновано структуру алгоритма ЛАФ с жорстким переключенням, яка навіть за умови використання лише двох компонентних фільтрів - ПШФ і ЗДФ - і одного ПЛА, що порівнюється з порогом, дозволяє ефективно вирішувати задачі обробки одно- та багатоканальних зображень, забезпечення задовільного компромісу властивостей ЛАФ у цілому, простоту оптимізації параметрів блоків й високу швидкодію; при цьому виграш у співвідношенні сигнал-завада за рахунок застосування ЛАФ замість відповідних компонентних фільтрів, які входять до складу ЛАФ, сягає 7 дБ у залежності від характеристик зображень та завад.

5. Показано, що ще кращі показники (виграш у співвідношенні сигнал-завада до 9 дБ у порівнянні з неадаптивними нелінійними фільтрами) досягаються за умови використання банків нелінійних фільтрів, кількох ПЛА та їх сумісного аналізу з використанням ЕС і НМ, але при цьому ускладнюється алгоритм обробки, стає потрібним попереднє навчання ЕС або НМ, інколи з'являється необхідність мати більш точну та достовірну інформацію про характеристики завад.

6. Результати досліджень є основою для вибору типів і параметрів ПШФ, ЗДФ, ПЛА, значень порогів для різних ситуацій, що мають місце в практиці багатока-нального ДЗ, в тому числі для випадків несиметричних ЩРЙ мультиплікативних завад та їх просторової корельованості, в залежності від ймовірності появи імпульсних завад, пріоритету вимог до алгоритмів обробки, тощо.

7. Розроблено оригінальні фільтри: адаптивні Lpq та -урізані фільтри, МСФ і МСФ з розміром ковзного вікна, що вибирається адаптивно, модифікований фільтр Фроста, векторний багатоетапний фільтр, ВМСФ, векторний ЛАФ на основі векторного квазірозмаху, одновимірні ЛАФ на основі Z-параметрів, які за інтегральними та локальними показниками перевищують існуючі аналоги на 2-6 дБ; показано, в яких випадках та з якою метою доцільно використовувати гомоморфні перетворення та різні норми під час векторної фільтрації багатоканальних РЛЗ.

8. Показано, що якщо складно досягти задовільного компромісу властивостей фільтрів за умови обробки сигналів і зображень на одному етапі, то у таких ситуаціях доцільно використовувати запропоновані багатоетапні процедури обробки сигналів і зображень: обробку одноканальних РЛЗ на основі фільтрів Лі, Фроста або адаптивного Lpq-фільтра на першому етапі та застосування КІХ-медіанних гібридних фільтрів, МСФ чи фільтрів на основі вейвлетного або косинусного перетворень на другому етапі, що дозволяє на 2-6 дБ покращити ступінь придущення спеклу на однорідних ділянках РЛЗ; багатоетапні методи є ефективними й при вирішенні задач обробки та інтерпретації багатоканальних РЛЗ, обробки сигналів у пасивних СФЗ.

9. Розвинуті в роботі локально-адаптивний та багатоетапний підходи можуть служити основою та є ефективними й для вирішення задач відновлення зображень, у тому числі в нетрадиційних ситуаціях наявності негаусівських завад; ці підходи вперше застосовано для вирішення задач первинного розпізнавання РЛЗ, усунення специфічних викривлень типу залишкових похибок суміщення РЛЗ на основі розроблених векторних локально-адаптивних фільтрів.

10. Якщо використовувати комплексно запропоновані методи калібровки, фільтрації, нелінійної корекції та суміщення багатоканальних зображень та їх прив'язки до топомапи, первинного та вторинного розпізнавання даних багатоканального ДЗ на основі НМ, то вони дозволять забезпечити сприйнятну (вище за 0,9) вірогідність правильного розпізнавання типів об'єктів і задовільну для практичних застосувань точність і надійність визначення параметрів ділянок, що зондуються, за умови наявності адекватних радіофізичних моделей, зокрема, під час вирішення задачі оцінювання ступеня еродованості ґрунтів.

11. Дослідження, що проведено на модельних даних, і аналіз реальних сигналів у пасивних СФЗ, показали, що похибки визначення кутових координат об'єктів можуть бути зумовлені різними факторами або їх сумісним впливом, при цьому для первинних вимірювань вірогідність появи аномальних похибок мають порядок 0,1-0,4, що робить стеження практично неможливим.

10. Доведено, що в результаті сумісного застосування запропонованих адаптивних і стійких методів підвищення точності первинних оцінок кутових координат, методів фільтрації послідовностей цих оцінок та обробки ВЕ, які представляються у вигляді двовимірних зображень, вдається в 1,2-7,8 разів зменшити СКП нормальних оцінок, досягти практично повного усунення аномальних похибок і забезпечити можливість реалізації стежачих вимірювань, що підтверджено результатами апробації запропонованих методів для даних натурного експерименту.

Список публікацій

1. Лукин В.В. Свойства и применения ступенчатых окон // Радиофизика и электроника. - Харьков: ИРЭ НАНУ. - 1997. - Т. 2. - N 2. - С. 142-149.

2. Лукин В.В. Статистические характеристики возмущенных диаграмм направленности многоэлементных антенных решеток // Технічна Електродинаміка. - Киев: Институт Электродинамики НАНУ. - 1999. - N 1. - С. 27-30.

3. Лукин В.В. Цели, методы и алгоритмы локально-адаптивной устойчивой фильтрации радиолокационных изображений // Космічна наука і технологія. - Киев. - 1998. - № 2/3. - С.39-50.

4. Лукин В.В. Методика и этапы обработки и интерпретации данных многоканального дистанционного зондирования // Авиационная и ракетно-космическая техника. - Харьков: ХАИ. - Вып. 7. - 1998. - С. 189-192.

5. Лукин В.В. Анализ поведения показателей локальной активности для нелинейных адаптивных фильтров // Радиофизика и электроника. - Харьков: ИРЭ НАНУ. - 1998. - Т. 3, - N 2. - С.80-89.

6. Лукин В.В. Динамические и статистические свойства алгоритмов нелинейной фильтрации одномерных информационных сигналов // Авиационная и ракетно-космическая техника. - Харьков: ХАИ. - 1998. - Вып. 7. - С. 134-141.

7. Анухин И.П., Зеленский А.А., Лукин В.В. Оптимизация характеристик направленности многоэлементных СВЧ-антенн при конструктивных ограничениях // Использование радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. - Харьков: ИРЭ АН Украины. - 1993. - С. 54-58.

8. Кабанов А.В., Лукин В.В., Цымбал О.В. Оптимизация сверточных окон для спектрального анализа сигналов // Обчислювальна техніка та автоматизація. - Донецьк: ДДТУ. - 1999. - Вип. 3. - С. 243-248.

9. Пономаренко Н.Н., Лукин В.В., Алексеев Л.Ю. Мультиоконные линейный и сигма фильтры для мультипликативного нормального шума // Авиационно-косми-ческая техника и технология. - Харьков: ХАИ. - 1999. - Вып. 12. - С. 114-117.

10. Зеленский А.А., Кулемин Г.П., Лукин В.В., Мельник В.П. Локально-адаптивные устойчивые алгоритмы обработки радиоизображений. - Харьков: 1993. - 39 с. (Препр./ НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники; 93-143).

11. Лукин В.В., Мельник В.П., Чемеровский В.И. Оптимальные и субоптимальные L-фильтры для обработки РСА-изображений // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ. - Вып. 6. - 1998. - С. 293-297.

12. Лукин В.В., Мельник В.П., Чемеровский В.И. Локально-адаптивные и двухэтапные алгоритмы фильтрации РСА-изображений // Авиационно-космическая техника и технология". - Харьков: ХАИ. - Вып. 1997 г. - 1998. - С. 381-385.

13. Волков С.Г., Лукин В.В., Мельник В.П., Пономаренко Н.Н. Экспертная система выбора фильтра для вторичной обработки радиолокационных изображений // Компьютерные интеллектуальные модели и системы. - Х.: ХАИ. - 1993. - С. 74-77.

14. Зеленский А.А., Кулемин Г.П., Курекин А.А., Лукин В.В. Особенности тематической обработки многоканальных радиолокационных изображений почв // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники - М. - 1999. - N 11. - С. 21-31.

15. Курекин А.А., Лукин В.В., Зеленский А.А. Применение методов векторной медианной фильтрации при обработке многоканальных радиолокационных данных дистанционного зондирования // Космічна наука і технологія. - К. - 1996. - Т. 2. - N 5-6. - С.53-63.

16. Зеленский А.А., Лукин В.В. Свойства оценок пространственного поло-жения источников в случайно-неоднородных и ограниченных средах // Радио-электронные устройства летательных аппаратов. - Харьков: ХАИ. - 1990. - С. 3-13.

17. Зеленський О.О., Лукін В.В., Доля А.Н. Оцінка затримки випадкових широкосмугових сигналів при малому співвідношенні сигнал-завада // Мережі і системи телекомунікації на залізничному транспорті. - Харків: Харківська державна академія залізничного транспорту. - 1999. - Вип. 35. - С. 87-94.

18. Горбуненко Б.Ф., Зеленский А.А., Лукин В.В. Неоптимальные фазометрические методы обработки случайных широкополосных сигналов // Микропроцессорные системы контроля и управления на железнодорожном транспорте. - Харьков: ХИИТ. - 1992. - С.47-51.

19. Зеленский А.А., Лукин В.В., Погребняк А.Б. Локально-адаптивные алго-ритмы устойчивой фильтрации информационных данных//Функционирование ра-диотехнических систем в условиях негауссовских помех. - М: МТИ. -1992. -С. 45-53.

20. Лукин В.В., Хуторненко С.В. Адаптивная нелинейная фильтрация информационно-измерительных сигналов // Информационные системы. - Харьков: Харьковский военный университет. - Вып. 2 (10). - 1998. - С. 38-42.

21. Лукин В.В., Погребняк А.Б. Устойчивые алгоритмы фильтрации оценок пространственных координат движущихся объектов // Космическая наука и техника. - вып. 7. - Киев: Наукова думка. - 1992. С. 60-63.

22. Горбуненко Б.Ф., Зеленский А.А., Лукин В.В. Сравнение двух методов синтеза аппаратной функции системы формирования изображений // Применение микропроцессоров в системах железнодорожной автоматики. - Харьков: ХИИТ. - вып. 14. - 1990. - С. 85-89.

23. Лукин В.В., Шаронов В.Б., Тулякова Н.О. Анализ эффективности нелинейных алгоритмов фильтрации медицинских сигналов // Авiацiйно-космiчна технiка i технологiя. - Харьков: ХАИ. - 1999. - вып. 14. - С. 127-131.

24. Зеленский А.А., Кулемин Г.П., Курекин А.А., Лукин В.В., Цымбал О.В., Модифицированный векторный сигма-фильтр для обработки многоканальных радиолокационных изображений и повышения надежности их интерпретации // Радиофизика и электроника. - Харьков: ИРЭ НАНУ. - 2000. - Т.5. - N 3. - С. 114-123.

25. Цымбал О.В., Лукин В.В. Сохранение текстурной информации при фильтрации радиолокационных изображений // Авiацiйно-космiчна технiка i технологiя. - Харьков: ХАИ. - 2000. - Вып. 20. - С. 13-20.

26. Абрамов С.К., Лукин В.В., Зеленский А.А. Мириадный метод автоматической оценки дисперсии помех на изображениях и его оптимизация // Радиотехника. - Харьков: ХНУРЭ. - 2001. - Вып. 123. - С. 177-184.

27. Абрамов С.К., Литвяк Ю.А., Лукин В.В., Проскурин А.Ю. Модифицированный сигма-фильтр для обработки одномерных информационных сигналов // Системы обработки информации. - Х.: НАНУ, ХВУ. - 2002. - Вып. 2(18). - С. 103-112.

28. Лукин В.В., Соколов А.В. Методы детектирования границ на изображениях на основе совместного анализа нескольких локальных параметров // Технология приборостроения. - Харьков: ГП НИТИП. - 2001. - вып. 1-2. - С. 83-90.

29. Lukіn V.V., Melnіk V.P., Pogrebnіak A.B., Zelensky A.A., Astola J.T., Saarіnen K.P. Dіgіtal adaptіve robust algorіthms for radar іmage fіlterіng // Journal of Electronіc Іmagіng. USA. - 1996. - Vol. 5(3). - P. 410-421.

30. Melnіk V.P., Lukіn V.V., Zelensky A.A., Huttunen H., Astola J.T. Nonlіnear Locally-adaptіve and Іteratіve Algorіthms of Іmage Restoratіon // Journal of Electronіc Іmagіng. - 1997. - Vol. 6(4). - P. 439-452.

31. Kulemіn G.P., Zelensky A.A., Lukіn V.V., Melnіk V.P. Prіncіples and Algorіthms of Multіfrequency and Multіpolarіzatіon Radar Іmage Processіng // Turkіsh Journal of Physіcs. - 1995. - Vol. 19. - N 10. - P.1277-1281.

32. Melnіk V.P., Lukіn V.V., Zelensky A.A., Astola J.T., Kuosmanen P. Local Actіvіty Іndіcators: Analysіs and Applіcatіon to Hard-Swіtchіng Adaptіve Fіlterіng of Іmages // Optіcal Engіneerіng Journal. - 2001. - Vol. 40. - N 8. - P. 1441-1455.

33. Dolіa A.N., Lukіn V.V., Zelensky A.A. Low SNR Tіme Delay Estіmatіon by Adaptіve Postfіlterіng of Cross-Correlator Output Sequence // Recent Advances іn Іnformatіon Scіence and Technology. - Sіngapore: World Scіentіfіc. - 1998. - P. 206-210.

34. Lukіn V.V., Saramakі T. Step-lіke wіndows: Synthesіs, propertіes, and applі-catіons // Proc. of 5-th Іntern. Workshop on Spectral Technіques and Logіc Desіgn for Future Dіgіtal Systems. - Tampere (Fіnland). - TІCSP Serіes. - N 10. - 2000. - P. 155-187.

35. Anukhіn І.P., Lukіn V.V., Ponomarenko N.N. et al. Sum-type Kaіser-Bessel Wіndows for Apodіzed Antenna Arrays // Proc. of the Second Іnternatіonal Conference on Antenna Theory and Technіques. - Kіev (Ukraіne), 1997. - P. 56-58.

36. Kalmykov A.І., Lukіn V.V., Zelensky A.A. Some Technіques and Algorіthms of SAR Іmage Enhancement on Stages of Prіmary and Secondary Sіgnal Processіng // Proc. of EUSAR'96. - Konіgswіnter (Germany), 1996. - P. 135-138.

37. Lukin V.V., Ponomarenko N.N., Alekseyev L.Yu., Melnik V.P., Astola J.T. Two-stage Radar Image Despeckling Based on Local Statistic Lee and Sigma Filtering // Proceedings of IS&T/SPIE International Conference on Nonlinear Image Processing and Pattern Analysis XII. - San Jose (CA, USA), 2001. - SPIE Vol. 4304. - P. 106-117.

38. Lukіn V., Melnіk V., Chemerovsky V., Peltonen S., Kuosmanen P. Use of homomorphіc transforms іn locally adaptіve fіlterіng of radar іmages // Proc. of ІS@T/SPІE Symp. on Electronіc Іmagіng: Scіence and Technology. - San Jose, (CA, USA), 2000. - SPІE Vol. 3961. - P. 184-195.

39. Melnіk V.P., Lukіn V.V., Egіazarіan K., Astola J. A Method of Speckle Removal іn One-Look SAR Іmages Based on Lee Fіlterіng and Wavelet Denoіsіng // Proc. of NORSІG2000. - Kolmarden (Sweden), 2000. - P. 243-246.

40. Lukіn V., Ponomarenko N., Astola J.T., Saarіnen K. Algorіthms of Іmage Nonlіnear Adaptіve Fіlterіng Usіng Fragment Recognіtіon by Expert System // Proc. of ІS@T/SPІE Symp. on Electronіc Іmagіng: Scіence and Technology. - San Jose (CA, USA), 1996. - SPІE Vol. 2662. - P. 114-125.

41. Dolіa A.N., Burіan A., Lukіn V.V., Rusu C., Kurekіn A.A., Zelensky A.A. Neural network applіcatіon to prіmary local recognіtіon and nonlіnear adaptіve fіlterіng of іmages // Proc. of the 6-th ІEEE Іnternatіonal Conference on Electronіcs, Cіrcuіts and Systems. - Pafos (Cyprus), 1999. - Vol ІІ. - P. 847-850.

42. Kurekіn A.A., Lukіn V.V., Zelensky A.A., Astola T., Saarіnen K., Kuosmanen P. Adaptіve vector LQ-fіlters for color іmage processіng // Proc. of Conf. SPІE on Statіstіcal and Stochastіc Methods іn Іmage Processіng ІІ. - San-Dіego (CA, USA), 1997. - SPІE Vol. 3167. - P. 46-56.

43. Lukіn V.V., Kurekіn A.A., Zelensky A.A., Saarіnen K.P., Koіvіsto P., Astola J.T. Comparіson of component and vector fіlter performance wіth applіcatіon to multіchannel and color іmage processіng // Proc. of the ІEEE-EURASІP Workshop on Nonlіnear Sіgnal and Іmage Processіng. - Antalya (Turkey), 1999. - Vol. 1. - P. 38-42.

Анотація

Лукін В.В. Локально-адаптивна стійка фільтрація сигналів і зображень у багатоканальних системах дистанційного зондування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.07.12 - Дистанційні аерокосмічні дослідження. - Національний аерокосміний університет ім. М.Є.Жуковського „ХАІ”, Харків, 2002.

В дисертації розроблено теорію та запропоновано методи локально-адаптивної стійкої фільтрації та багатоетапної обробки одновимірних, двовимірних і багатовимірних сигналів і зображень, що реєструються або формуються багатоканальними радіолокаційними комплексами дистанційного зондування аерокосмічного базування та іншими типами радіотехнічних й інформаційно-вимірювальних систем. Розроблено, досліджено й апробовано нові методи та цифрові алгоритми первинної обробки сигналів, формування зображень та підвищення їх якості, видобування корисної інформації про характеристики об'єктів, що зондуються, підвищення точності вимірювання параметрів за умови впливу негаусівских завад складного виду, наявності аномальних похибок вимірювань, сумісному впливі декількох дестабілізуючих факторів, обмеженій априорній інформації про характеристики сигналів, завад, середовища розповсюдження.

Ключові слова: багатоканальні комплекси, дистанційне зондування, багатоетапна обробка, локальна адаптація, робасність, сигнали, зображення, інтерпретація, фільтрація, підвищення точності.

фільтрація багатоканальний аерокосмічний зондування

Лукин В.В. Локально-адаптивная устойчивая фильтрация сигналов и изображений в многоканальных системах дистанционного зондирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.07.12 - Дистанционные аэрокосмические исследования. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского „ХАИ”, Харьков, 2002.

В диссертации разработана теория и предложены методы локально-адаптивной устойчивой фильтрации и многоэтапной обработки одномерных, двумерных и многомерных сигналов и изображений, регистрируемых или формируемых многоканальными радиолокационными комплексами дистанционного зондирования аэрокосмического базирования и другими типами радиотехнических и информационно-измерительных систем, функционирующих в условиях воздействия сложных помех и искажений при ограниченных априорных сведениях об их характеристиках.

Суть принципа локальной адаптации состоит в том, что для каждого положения скользящего окна осуществляется локальное распознавание данных и на его основе выполняется локальная обработка с применением фильтра, который наилучшим образом решает задачу, являющуюся приоритетной для окрестности данного отсчета. При этом благодаря блочной организации и структурно-параметрической оптимизации блоков локально-адаптивный фильтр осуществляет обработку данных с эффективностью, близкой к предельной, в результате чего достигаются высокие показатели его функционирования в соответствии как с интегральными, так и локальными критериями. При многоэтапной обработке на каждом из этапов успешно решаются одна или несколько частных задач, что обеспечивает необходимые предпосылки для эффективной работы блоков на последующих этапах, благодаря чему также обеспечиваются высокие точностные характеристики и надежность процедуры в целом.

Указанные методы исследованы и апробированы при решении задач первичной пространственно-временной обработки сигналов, формирования изображений и повышения их качества, восстановления изображений, компонентной и векторной фильтрации многоканальных радиолокационных и других видов изображений, классификации данных дистанционного зондирования и извлечения полезной информации о характеристиках зондируемых объектов, повышения точности измерения параметров при негауссовских свойствах помех, наличии аномальных ошибок измерений, совместном влиянии ряда дестабилизирующих факторов, ограниченной априорной информации о характеристиках сигналов, помех, среды распространения.

Показано, что благодаря их применению удается достичь приемлемого компромисса между подавлением помех на однородных участках изображений, устранением импульсных помех, сохранением границ, малоразмерных объектов и текстуры, удовлетворить требования по быстродействию обработки. Локально-адаптивные фильтры и многоэтапные процедуры позволяют на несколько дБ улучшить пиковое соотношение сигнал-помеха для всего изображения и локальные показатели качества обработки по сравнению с существующими аналогами.

При векторной обработке можно также значительно уменьшить остаточные ошибки совмещения многоканальных изображений и в результате, при условии использования адекватных радиофизических моделей сигналов, отраженных данным типом поверхности, обеспечить приемлемую для практических приложений точность одновременного определения нескольких параметров зондируемых объектов, что продемонстрировано на примере дистанционного определения параметров и классификации по степени эрозии участков поля без растительности.

При решении задач локально-адаптивной фильтрации изображений, их первичного локального распознавания и классификации объектов в результате анализа данных многоканального дистанционного зондирования предложено использовать обучаемые нейросети, что позволяет существенно повысить надежность выполнения перечисленных выше операций.

Разработаны локально-адаптивные методы и цифровые алгоритмы обработки одномерных процессов и последовательностей первичных оценок информационных сигналов, позволяющие одновременно с эффективным устранением помех, включающих аддитивную, мультипликативную и импульсную компоненты, сохранять информационные признаки нестационарных сигналов, которые могут содержать резкие перепады, пикообразные экстремумы, разрывы производных и т.д. Работоспособность этих методов продемонстрирована при обработке последовательностей оценок угловых координат и других параметров в гидроакустических системах, при обработке медицинских сигналов и т.д.

В работе также приведены многочисленные примеры применения разработанных методов, цифровых алгоритмов и программных средств при решении задач в смежных областях: при фильтрации космических оптических изображений, полученных со спутника “Сич”, ультразвуковых и цветных изображений, оцифровке топографических карт и построения по ним рельефа местности, определении толщины снежного покрова по радиолокационному изображению и т.д.

Ключевые слова: многоканальные комплексы, дистанционное зондирование, многоэтапная обработка, локальная адаптация, устойчивость, сигналы, изображения, интерпретация, фильтрация, повышение точности.

Lukіn V.V. Locally-adaptive robust filtering of signals and images in multіchannel remote sensing systems. - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Technical Science in specіalіty 05.07.12 - Remote aerospace investigations. - National Aerospace University named after N.Ye. Zhu-kovsky „KhAІ”, Kharkov, 2002.

In the thesis the theory and methods for locally adaptive robust filtering and multistage processing of one-, two- and multidimensional signals and images recorded or formed by spaceborne or airborne multіchannel radar remote sensing complexes and other type radiotechnical and information-measuring systems are designed and proposed. The new methods and digital algorithms of signal primary processing, image forming and their enhancement, retrieval of useful information about the sensed objects, parameter estimation accuracy improving for cases of complex non-Gaussian noise influence, abnormal error presence in estimations, joint influence of several disturbing factors, limited a priori information on signal, noise and propagation medium characteristics are designed, studied and verified.

Keywords: multіchannel complexes, remote sensing, multistage processing, local adaptation, robustness, signals, images, interpretation, filtering, accuracy improvement.

Підписано до печаті 26.09.2002

Формат 60х84 1/16

Усл. Печ. 2,2 Уч.-изд. лит. 2,0 Т 100 екз. Зак. 495

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

61070, М. Харків, вул. Чкалова, 17

Размещено на Allbest.ru