Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Прочее arrow Статистичне оцінювання параметрів поверхонь в активно-пасивних системах дистанційного зондування

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність задачі підвищення точності оцінювання параметрів та статистичних характеристик земних покривів в активних, пасивних та комбінованих системах дистанційного зондування (ДЗ). Визначено об'єкт і предмет досліджень, сформульовано мету і згідно з поставленою метою перелічено задачі дослідження, описано методи дослідження, відзначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Наведено дані про публікації, апробації та особистий внесок автора.

У першому розділі представлений огляд і аналіз вітчизняних та зарубіжних наукових публікацій стосовно розв'язання задач підвищення точності оцінювання параметрів природних середовищ в активних, пасивних та комбінованих активно-пасивних системах дистанційного зондування. Даний розділ також містить основну теоретичну інформацію, необхідну для досягнення мети роботи і вирішення поставлених задач. Розглянуто основні поняття і характеристики розсіювання та власного випромінювання природних середовищ в задачах активної та пасивної радіолокації, встановлено зв'язок між ними.

Вихідну апріорну інформацію у вигляді аналітичного опису прийнятих полів або їхніх статистичних еквівалентів, інформацію про зв'язок амплітуд або потужностей сигналів, що реєструються, з електрофізичними параметрами і статистичними характеристиками природних середовищ надають відповідні моделі. Для забезпечення достовірності результатів дисертації в першому розділі розглянуто та проаналізовано спеціально підібрані найбільш розроблені та найчастіше використовувані моделі природних середовищ. Не дивлячись на широке застосування багатьох із цих моделей, їх потенційні можливості практично мало досліджені. Ці досліди можливо виконати головним чином на шляху вирішення сучасних оптимізаційних задач обробки сигналів. Також розглянуто ряд сучасних нових моделей, які далі використані в роботі.

Далі складені та досліджені рівняння спостереження при активному та пасивному дистанційному зондуванні у вигляді адитивної суміші корисного сигналу та завади. Це моделі сигналів, що приймаються активними та пасивними системами, в які було відображено („вмонтовано”) електродинамічні та регресійні моделі природних середовищ. При активному дистанційному зондуванні використані функціонально-детерміновані та стохастичні моделі сигналів, розсіяних поверхнями. У стохастичних моделях сигнали, відбиті від поверхні, розглядаються як випадкові. Використання таких моделей цілком виправдано, тому що поле в області прийому формується великою кількістю незалежних розсіювачів. Для статистичного опису цього поля досить знати його кореляційні або спектральні властивості, тому оцінювані параметри поверхні є параметрами відповідних кореляційних функцій або енергетичних спектрів.

Моделі рівнянь спостереження при пасивному ДЗ також розроблені як стохастичні, тому що теплове випромінювання в області прийому є сумою хаотичних випромінювань великої кількості елементарних осциляторів досліджуваного середовища, і можна вважати, що ці процеси гаусові. Тому шукані параметри є не тільки аргументами залежностей сукупності полів, що реєструються у точці прийому, але і аргументами кореляційних функцій і відповідних спектральних характеристик щільності потужності.

Другий розділ дисертації присвячений алгоритмам оптимальної обробки розсіяних полів та дослідженню якісних показників оцінок електрофізичних параметрів поверхонь при активному дистанційному зондуванні. Пошук алгоритму оптимальних оцінок параметрів виконано в рамках методу максимальної правдоподібності. Система нелінійних рівнянь для оцінок невідомих параметрів має вигляд

, (1)

де - відома функціональна залежність (результат розв'язання прямої задачі розсіювання для обраної електродинамічної моделі поверхні);

- значення кореляційного інтеграла, сформованого оптимальною вимірювальною системою (* - знак комплексного спряження);

- енергетичне співвідношення сигнал/шум.

Для ефективного оцінювання параметрів поверхні в ході експерименту необхідні попередній розрахунок і аналіз потенційної точності оцінки. Граничні похибки виміру параметрів визначають діагональними елементами матриці, зворотної до інформаційної матриці Фішера. Елементи інформаційної матриці визначаються характером нелінійних зв'язків комплексних амплітуд сигналів із шуканими параметрами, які, у свою чергу, визначаються електродинамічними моделями поверхонь, для котрих у результаті розв'язання задач розсіювання знаходять електромагнітні поля в точці прийому. Аналіз елементів цієї матриці, по-перше, дозволяє оцінити можливість розв'язання системи нелінійних рівнянь при заданій сукупності умов. По-друге, дозволяє визначити умови, при яких похибки виміру будуть мінімальними, зокрема, при яких кутах падіння радіохвиль на поверхню розділу і при яких поляризаціях можна забезпечити задовільні або найбільші точності виміру параметрів поверхні.

В цьому розділі розраховано та проаналізовано граничні похибки багатопараметричного оцінювання стану функціонально-детермінованих моделей природних середовищ, зокрема плоскої поверхні та поверхні з дрібномасштабними нерівностями. Крім того, проаналізовано потенційну точність багатопараметричних оцінок стану стохастичних електродинамічних моделей поверхонь з дрібномасштабними та крупними нерівностями. Згідно з результатами досліджень сформульовано рекомендації щодо вибору кутів спостереження, при яких забезпечуються мінімальні граничні похибки. Для підтвердження отриманих теоретичних розрахунків виконано математичне моделювання досліджених алгоритмів.

В роботі також виконані дослідження потенційних точностей оцінювання параметрів емпіричних моделей поверхонь при активному дистанційному зондуванні, результати яких наведені в додатку А. Для прикладу нижче представлені результати дослідження поверхні, що задовольняє емпіричній моделі Оха. Для цієї моделі виконано дослідження граничних похибок сумісної оцінки діелектричної проникності і параметра, що характеризує висоту нерівностей ( - середньоквадратична висота нерівностей, - хвильове число) при реєстрації коливань горизонтальної, вертикальної та перехресної поляризацій, . Залежності похибок оцінювання та від кута візування для декількох значень діелектричної проникливості наведені: - на рис. 1 та - на рис. 2.

Похибки оцінок Рис. 2. Похибки оцінок

Рис. 1. Похибки оцінок Рис. 2. Похибки оцінок

Похибки оцінки діелектричної проникності і висоти нерівностей максимальні при кутах, близьких до та , та приймають малі значення при (рис. 1, 2).

У третьому розділі дисертаційної роботи досліджені якісні показники багатопараметричних оцінок стану природних середовищ при пасивному дистанційному зондуванні як без урахування, так і з урахуванням впливу підсвічування атмосферою. Рівняння спостереження розглянуто у вигляді суми корисного сигналу та завади. Заваду типу „білий шум” вводимо на виході лінійного тракту приймача з коефіцієнтом передачі . Інтенсивність цієї завади вважаємо дуже малою, але її доцільно врахувати, тому що вона буде виконувати функцію статистичного регуляризатора при вирішенні відповідної зворотної задачі. Основний внесок у завадову складову сигналу вносять завади, які характеризуються фоновою компонентою спектрально-кутової щільності комплексної амплітуди та також проходять через фільтр . Будемо вважати надалі, що процеси на виході лінійного тракту приймача незалежні між собою і є гаусовськими.

З урахуванням вищенаведеного, рівняння правдоподібності запишеться у такому вигляді

, (2)

де , - кореляційна та зворотна кореляційна функція, що знаходиться з рівняння звертання.

Задача оптимального оцінювання параметрів випромінюючої поверхні зводиться до задачі оцінки параметрів енергетичного спектру

, (3)

де - антенна яскравість.

Система рівнянь для оцінки невідомих параметрів має такий вигляд

, (4)

де - періодограма Фур'є, ;

- інтервал часу спостереження - тої реалізації.

Ця система рівнянь є вихідною для розв'язання задач багатопараметричних оцінок стану поверхонь, у тому числі і з врахуванням їх підсвічування атмосферою.

Далі в роботі розраховано граничні похибки багатопараметричного оцінювання стану природних середовищ, які задовольняють моделям плоскої поверхні, поверхні з дрібномасштабними нерівностями і плоскої поверхні розділу з випадково-неоднорідною зміною показника заломлення підповерхневого середовища за їх власним випромінюванням. Дослідження виконані з урахуванням впливу навколишнього середовища. Крім того, в роботі запропоновано методику дослідження потенційних точностей сумісного оцінювання параметрів поверхні та вологозапасу безхмарної атмосфери на основі регресійної моделі „атмосфера-підстилаюча поверхня”. Нижче наведені залежності похибок сумісних оцінок діелектричної проникності плоскої поверхні (рис. 3) та вологозапасу атмосфери (рис. 4) від кута візування при довжині хвилі см при реєстрації коливань горизонтальної та вертикальної поляризацій (розглянуто три поверхні з ).

Похибки оцінок Рис. 4. Похибки оцінок

Рис. 3. Похибки оцінок Рис. 4. Похибки оцінок

при при

На рис. 5, рис. 6 наведені аналогічні залежності при см. Прийняті опорні значення параметрів: термодинамічна температура , г/см2, співвідношення між часом інтегрування і ефективною шириною смуги пропущення частот лінійного тракту радіометра , співвідношення сигнал/шум .

За результатами розрахунків сформульовано рекомендації щодо вибору умов проведення експериментів, для підтвердження теоретичних даних виконано математичне моделювання.

Похибки оцінок Рис. 6. Похибки оцінок

Рис. 5. Похибки оцінок Рис. 6. Похибки оцінок

при при

Отримані результати свідчать про те, що точність сумісної оцінки діелектричної проникності і вологозапасу атмосфери різко погіршується при кутах, близьких до кутів Брюстера. Точність оцінки практично не залежить від довжини хвилі (рис. 3, 5), а точність оцінки вологозапасу краще при см (рис. 4, 6). Тому для оцінювання діелектричної проникності і вологозапасу безхмарної атмосфери можна порекомендувати довжину хвилі см і кути візування .

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню методів комплексування обробки полів розсіяного та власного випромінювання при активно-пасивному дистанційному зондуванні природних середовищ. В ньому виконано постановку задачі комплексування в загальному випадку, досліджено залежність дисперсії сумісних (комплексних) оцінок двох параметрів від коефіцієнта кореляції між ними. Показано, що дисперсії оцінок корельованих параметрів порівняно повільно зменшуються з ростом коефіцієнта кореляції в інтервалі та значно швидше - при значеннях від до . Причому швидкість зменшення дисперсії збільшується з ростом апріорної невизначеності.

При комплексуванні активних і пасивних систем дистанційного зондування виникає необхідність визначення кореляційного зв'язку характеристик відбитих сигналів і сигналів власного випромінювання, тому в роботі розраховано та досліджено статистичний зв'язок яскравісної температури радіотеплового випромінювання та коефіцієнта відбиття. При оцінках коефіцієнтів відбиття і радіояскравісних температур як функцій координат підстилаючої поверхні, має місце часткове усереднення характеристик потужності прийнятих коливань. Тому їхню випадковість пов'язуємо в роботі не з природою хаотичного випромінювання або розсіювання, а з випадковим характером їхніх змін як статистичних характеристик нестаціонарних випадкових процесів (на рівні полів розсіювання та власного випромінювання цього зв'язку немає). Саме в цьому наближенні за міру статистичного зв'язку прийнято коефіцієнт кореляції

, (5)

де - центровані значення коефіцієнта відбиття та яскравісної температури, а - їх дисперсії.

Кореляційний зв'язок досліджено для випадку, коли коефіцієнти зворотного розсіювання та інтегрального розсіювання дорівнюють

, (6)

, (7)

де - комплексний коефіцієнт розсіювання площадки ;

- горизонтальна проекція вектора розсіювання.

Таким чином, задача визначення коефіцієнта кореляції зводиться до розрахунку різних змішаних статистичних моментів четвертого порядку коефіцієнта зворотного розсіювання і коефіцієнта інтегрального розсіювання. Їхні розрахунки показують, що коефіцієнт кореляції є пропорційним малому параметру (відношенню довжини хвилі до площини досліджуваної площадки).

Показано, що доцільно визначити кореляційний зв'язок яскравісної температури і коефіцієнта відбиття як умовних середніх щодо фіксованих значень випадкових параметрів поверхонь. В цьому наближені в роботі виконано дослідження коефіцієнта кореляції між середніми характеристиками для моделі двохмасштабной поверхні як функції від кута візування при оцінюванні стану поверхонь з різними значеннями діелектричної проникливості. Для тієї ж поверхні розраховані та досліджені залежності дисперсій результуючих оцінок питомої ефективної поверхні розсіювання (ЕПР) і радіояскравісної температури від кутів візування з урахуванням кореляційного зв'язку між ними.

В четвертому розділі також проаналізовані оптимальні алгоритми комплексної обробки полів розсіяного і власного радіовипромінювання стосовно багатопараметричного оцінювання стану природних середовищ. В якості рівняння спостереження прийнято векторну функцію, що включає в себе сигнали розсіяного і власного випромінювань, . Для сукупності незалежних полів апостеріорний розподіл щільності імовірності прийнятих полів запишемо у виді

. (8)

Диференціюючи цю апостеріорну щільність імовірності по параметрах і прирівнюючи отриману похідну до нуля, одержимо систему нелінійних рівнянь для оцінок параметрів. Якщо в якості оцінюваних параметрів прийняті елементи коваріаційної матриці розсіювання та спектральні яскравості чи (або пропорційні їм яскравісні температури и ) система має вигляд

, (9)

де - елементи матриці, утворені послідовно з перших N=n2 компонент вектора (, - зворотна кореляційна функція);

- сигнальна частина вихідних ефектів оптимального вимірювача, (матричний аналог функції невизначеності системи);

- матриця опорних сигналів;

- вихідні ефекти.

Далі у цьому розділі для випадку сумісної реєстрації власного випромінювання поверхні і розсіяного сигналу проаналізовані точнісні характеристики оцінювання параметрів, виконане статистичне моделювання оптимальних алгоритмів оцінки при комплексуванні і порівняльний аналіз граничних похибок оцінювання параметрів поверхонь при активному дистанційному зондуванні, при пасивному зондуванні та при комплексуванні. Всі дослідження виконано як без урахування впливу підсвічування атмосферою, так і з урахуванням цього фактору.

Для прикладу на рис. 7 наведені залежності граничних похибок оцінок дійсної частини комплексної діелектричної проникності плоскої поверхні при комплексуванні , при м, К. На рис. 8 наведені залежності граничних похибок оцінок уявної частини - .

На рис. 9, 10 представлені залежності похибок оцінювання дійсної та уявної складових комплексної діелектричної проникності плоскої поверхні від кута візування () при пасивному дистанційному зондуванні , ; активному зондуванні , ; при комплексній оцінці діелектричної проникності , та при комплексному сумісному оцінюванні вектора параметрів - , .

Рис. 7. Похибки оцінок Рис. 8. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

Похибки оцінок Рис. 10. Похибки оцінок

Рис. 9. Похибки оцінок Рис. 10. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

при різних методах ДЗ при різних методах ДЗ

Аналогічні дослідження виконані для поверхні з дрібномасштабними нерівностями. На рис. 11, 12 показані залежності граничних похибок оцінювання дійсної та уявної частини діелектричної проникності від кута візування при комплексному зондуванні поверхні з дрібномасштабними нерівностями.

Похибки оцінок Рис. 12. Похибки оцінок

Рис. 11. Похибки оцінок Рис. 12. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

На рис. 13 показані залежності похибок оцінювання дійсної частини поверхні з дрібномасштабними нерівностями при різних методах дистанційного зондування: при пасивному дистанційному зондуванні , активному зондуванні , при комплексній оцінці діелектричної проникності та при комплексному сумісному оцінюванні параметрів і - . Залежності граничних похибок оцінювання уявної частини від кута візування при різних методах дистанційного зондування показано на рис. 14.

За результатами досліджень сформульовані рекомендації щодо вибору умов проведення експериментів для забезпечення максимальної точності оцінювання параметрів земних покривів та виконано математичне моделювання розглянутих алгоритмів для підтвердження теоретичних результатів.

Похибки оцінок Рис. 14. Похибки оцінок

Рис. 13. Похибки оцінок Рис. 14. Похибки оцінок

дійсної частини уявної частини

при різних методах ДЗ при різних методах ДЗ

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ
Статистичне оцінювання параметрів поверхонь в активно-пасивних системах дистанційного зондування