Алгоритм коррекции искажений изображения в цифровой ИК-СВЧ-системе наблюдения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.398:681.513.6

АЛГОРИТМ КОРРЕКЦИИ ИСКАЖЕНИЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ЦИФРОВОЙ ИК-СВЧ-СИСТЕМЕ НАБЛЮДЕНИЯ

© 2013 г. С.А. Покотило

Покотило Сергей Александрович - д-р техн. наук, доцент, учёный секретарь научно-технического совета института ФГУП «Научно-исследовательский институт специальных информационно-измерительных систем», г. Ростов н/Д. Тел. (863) 263-16-13. E-mail: pokotilo53@mail.ru

Pokotilo Sergey Alexandrovich - Doctor of Technical Sciences, assistant professor, Scientific secretary of science and technology council Federal State Unitary Enterprise Research Institute of Special Information-Measuring Systems. Rostov on Don. Ph. (863) 263-16-13. E-mail: pokotilo53@mail.ru

Предложен корреляционный алгоритм коррекции искажений изображения, вызванных эволюциями носителя. Алгоритм основан на корреляционном анализе сигналов изображения и позволяет существенно уменьшить влияние погрешностей датчиков пилотажной и навигационной информации на качество изображения, поскольку не использует их сигналы для коррекции искажений изображения.

Ключевые слова: ИК-СВЧ-система наблюдения, датчики пилотажно-навигационных параметров, геометрические и частотные искажения изображения, косое сканирование, матрица ИК-приемника, цифровая обработка.

Correlation correction algorithm of image distortion caused by the evolutions of the carrier is proposed. The algorithm is based on the correlation analysis of image signals, and can significantly reduce the effect of flight and navigation data sensor error on the quality of the image, since it does not use their signals for correcting image distortion.

Keywords: infrared microwave control system; flight and navigation data sensors; geometric and frequency image distortion; oblique scanning; infrared sensor matrix; digital processing.

Перспективой развития цифровых инфракрасных (ИК) систем наблюдения с движущихся носителей (например, с летательных аппаратов (ЛА)) является их комплексирование с радиотепловыми системами, работающими в диапазоне сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного излучения, для обеспечения всепогодности применения, повышения вероятности распознавания наблюдаемых объектов по совмещенным, инфракрасно-радиотепловым (тепловизионно-радиотепловым) изображениям и придание им качества независимости функционирования от информации о пространственных и угловых параметрах носителя, получаемой датчиками движения носителя аппаратуры (датчиками пилотажных и навигационных параметров (ПНП)), а также свойства инвариантности алгоритмов их функционирования к погрешностям этих датчиков [1, 2].

Цель работы: разработать алгоритм коррекции искажений изображения в процессе функционирования автономной комплексной ИК-СВЧ-системы наблюдения, позволяющий компенсировать геометрические и частотные искажения изображения, связанные с эво-люциями носителя, и основанный на использовании косвенной информации о параметрах линейного и углового движения носителя, содержащейся в сигналах изображения.

Погрешности датчиков движения носителя (например, ЛА) оказывают искажающее влияние на качество формируемых изображений. Это противоречие -между необходимостью широкого использования информации о параметрах движения носителя в алгоритмах функционирования системы наблюдения и

недостаточной точностью датчиков ПНП - предлагается разрешить с помощью новой конструкции системы обзора наблюдаемого пространства (поверхности), обеспечивающей возможность управляемого изменения параметров наблюдения. Применительно к ЛА как к носителю аппаратуры, косвенная информация о ПНП содержится в соседних фрагментах изображения при их наложении, и ее можно получить путем вычисления корреляционных связей между сигналами изображения, сформированными, например, в ИК-канале, на выходах чувствительных элементов (ЧЭ) фокальных матриц или субматриц, сканирующих с наложением соседних ЧЭ; величина наложения изменяется при пространственных или угловых эволюциях носителя, обусловленных изменением ПНП или действием случайных факторов полета. На рис. 1 изображено частичное наложение траекторий соседних «сканов», при сканировании матрицей приемника, вызванное эволюциями носителя. Так, при изменении угла крена у происходит сдвиг элементов изображения в направлении сканирования x (по строке), а при изменении путевой скорости Vп и/или угла тангажа и изменяется величина наложения соседних «сканов» в направлении движения носителя у (по кадру). При изменении угла сноса рс изменение величины наложения происходит и по строке, и по кадру. Координаты x, у проекции матрицы ЧЭ приемника, например, на земную поверхность, являются функциями параметров полета: x = x(y), у = у(Уи, и, рс), где у, и, рс - углы крена, тангажа и сноса; Vп - путевая скорость полета; x - направление сканирования приемника; у - направление полета носителя.

2-й скан ,

u2(t)

L

1-й скан

ui(t)

У = У У и, Ре)

Рис. 1. Формирование матрицы наложения при сканировании с перекрытием матрицей приемника: х - направление сканирования; у - направление полета ЛА; и^), и2(1) - матрицы наложения от первого и второго «сканов»

Назовем часть матрицы приемника, образовавшейся в результате взаимного наложения предыдущего (первого) и последующего (второго) «сканов» (рис. 1), матрицей наложения и обозначим матрицу электрических сигналов с элементов области матрицы наложения (далее - матрица наложения) от первого «ска-на» и^), а матрицу электрических сигналов с элементов матрицы наложения от второго «скана» - и2(1); размеры матрицы наложения (в общем случае, она прямоугольная, размера тхк) определяются результатом движения (с наложением) второго «скана» по первому, как показано на рис. 1 (заштрихованная область):

ui =

Анализ степени использования ПНИ в процессе функционирования ОЭК показывает, что наибольшее влияние на качество формируемых изображений оказывает точность измерения на борту таких параметров, как истинная высота полета Кг, путевая скорость Уп , углы у, и, рс и угловые скорости изменения этих углов. Как видно из табл. 1, почти по всем параметрам достигнутые точности их измерения не удовлетворяют предъявляемым требованиям. При вычислении требуемых точностей датчиков ПНИ исходными предпосылками являлись допустимое смещение отдельных элементов (ЧЭ) или строк изображения друг относительно друга, которое было принято равным 0,25... 0,3 размера элемента разрешения, и достигнутое угловое разрешение ИК-аппаратуры 0,3 мрад [6, 7]. При этом размер элемента разрешения по строке определяется размером ЧЭ матрицы приемника, а размер элемента разрешения по кадру - расстоянием между центрами соседних ЧЭ.

В результате выполненнго расчета получены выражения, позволяющие оценить суммарное влияние погрешностей датчиков путевой скорости, истинной высоты, углов тангажа и сноса на величину Зу/" поперечного (по кадру) мгновенного угла поля зрения уУ (расчет выполнен, исходя из условия плотного прилегания траекторий соседних «сканов» друг к другу):

5уу = sec 3 cos ßc(hr Fc MN) -1SVn;

(1)

«n...«1k ; u 2 = M21-.M1k Sy h =y y 1 -hr (hr + Sh)-1 ; (2)

_um\...umk ] _um\..-umk ] öy? = y y a[ 1- cos 3 sec (3+A3)]; (3)

В табл. 1 приведены данные о достигнутых точностях (относительных погрешностях) датчиков ПНП современных ЛА и требуемых точностях датчиков, позволяющих использовать их в качестве источников первичной информации для обеспечения функционирования системы наблюдения [3 - 6].

Таблица 1

Данные о достигнутых и требуемых точностях датчиков пилотажных и навигационных параметров ЛА

8Уу =

5yß =уy [1 - cos (ßc + Aß) sec ßc ];

(sy / )2 +(sy / )2 +(sy ya)2 +(sy yß)2

0,5

(4)

(5)

Наименование параметра Достигнутая точность, % Требуемая точность, %

Воздушная скорость 2 0,2 - 0,4

Число Маха 1 - 3 1 - 2

Путевая скорость 0,2 - 0,3 0,5

Истинная высота 0,6 - 5 0,5

Угловая скорость изменения углов крена, тангажа 1,75 - 2 мрад/с 1 мрад/с

Угловая скорость изменения угла сноса 1,75 мрад/с 1 мрад/с

Угол тангажа ~0,35 мрад 0,1 мрад

Угол крена ~0,175 мрад 0,1 мрад

Угол сноса 1,5 мрад 0,1 мрад

где Fе - частота сканирования; М - количество «ска-нов», укладывающихся в угловой размер поля обзора системы наблюдения поперек направления полета; N -количество граней дефлектора (сканирующего устройства); 5Уп, 5и, 5ре - абсолютные погрешности измерения параметров Уп, h, и, рс.

В табл. 2 приведены результаты расчета по формулам (1) - (5) погрешности 5уу" в зависимости от погрешностей 5Уп, 5^, 5и, 5ре при изменении каждой из них на 1 %.

Для компенсации влияния геометрических и частотных искажений изображения, возникающих вследствие изменения параметров полёта, предлагается новый метод адаптивной коррекции качества изображения в авиационных сканирующих ОЭС. В его основу положен корреляционно-экстремальный принцип получения информации об изменении условий наблюдения, заключающийся в том, что информация об изменении пространственно-угловых параметров носителя однозначно связана с величиной взаимного

перекрытия соседних элементов наблюдаемой поверхности, из которых строится изображение [2]. Например, при увеличении угла тангажа или уменьшении путевой скорости увеличивается значение продольного перекрытия, а при увеличении угла крена в сторону, противоположную направлению сканирования, вследствие сдвига начал соседних «сканов», уменьшается значение поперечного перекрытия (по строке).

Таблица 2

Результаты расчета погрешности 8ууЕ определения значения мгновенного поля зрения системы наблюдения в зависимости от погрешностей датчиков путевой скорости 8Кп, истинной высоты 8Аг и углов тангажа 8и и сноса 8рс

Степень изменения ПНП, % Степень изменения погрешностей, %

SVn 1 Sfy 10

Shr 1 SYhy 10

Su 1 &Л 4...14

Sßc 1 SYßy 4...14

Величина суммарной средне-квадратической погрешности - sY/ ~15...24

Алгоритм поиска экстремума функции R(т) при совпадении направления увеличения т с направлением возрастания функции R(т) имеет вид:

т = т1, dR / dт > 0; т = т2, dR / dт > 0,R(т2) > R(т1);

....................................................................(7)

т = ти, dR(т)/ d т = 0, R(тm) = Rm. В случае несовпадения вышеуказанных направлений алгоритм (7) увеличивается на один шаг (, - 1):

т = т,, dR(т)/ dт > 0; т = тг-1, dR(т) / dт < 0,R(тг-1) < R(т1); т = тг+1, dR(т) / dт > 0,R(тг+1) > R(тг); (8)

т = тг+2, dR(т) / dт > 0,R(тг+2) > R(тг+1);

Для реализации метода необходимо знать текущее направление и амплитуду вектора скорости движения МУПЗ по строке и кадру (по направлению полета (НП)). При сканировании обозреваемой поверхности двумя МУПЗ (одно за другим, как в случае последовательного или косого сканирования) при прямолинейном горизонтальном полёте (угловые скорости изменения углов крена, тангажа и сноса равны нулю) коэффициент корреляции элементарных сигналов изображения соседних «сканов» R(т):

R(т) = £ [и, ^ - т) - и ^ - т)] [и. ^) - и ^)] х

г=1

х{£ [и, ^ - т) - и ^ - т)]2[и, (t) - и ^)]2}-0,5, (6)

,=1

будет равен максимальному значению - единице.

В выражении (6) и(), и(± - т) - сигналы изображения, сформированные в 1-м и 2-м МПЗ с временной задержкой т; , =1, 2,... п, п - число ЧЭ в матрице или субматрице приёмника; и(Г), и^ -т) - средние значения (математические ожидания) сигналов и{ (t), и{ (t -т). В случае R = 1 взаимные смещения таких «строк» (вызванные эволюциями носителя) отсутствуют, и изображение формируется без искажений. Если координаты МПЗ изменяются по строке и кадру вследствие эволюций носителя, то величина т при смещении по «строке» (тх) должна быть существенно меньше времени просмотра строки Тс, а при смещении по кадру (ту) - кратна числу «строк»: тх<<Тс; ту = кТс, где k > 1 - целое число.

т = тт , dR(т)/ dт = 0,R(Tm ) = Rm . где тm, Rm - максимальные значения параметров т и R.

На рис. 2 в качестве примера представлены графики функции R(т) двух синусоидальных видеосигналов и и2'(/) от угла сдвига: щ'(Г) = щ(() + м1ш(t), и2'(0 = и (/ - т) + и1ш (t -т) - для различных значений отношения сигнал/шум у:

т2

[М1ш (t

[»2ш (t -Т)]2

где и2ш (t - т) - среднеквадратическое (СК) значение напряжения аддитивного шума с матрицы наложения предыдущего «скана»; й1ш^ -т) - СК-значение напряжения аддитивного шума с матрицы последующего «скана».

R(т) = Т.-1 |Т0 [и1 (t) + и1ш ^ )][«1 (t -т) + и2ш ^ -т)] Л = = Ти-1 £ [и ^) и ^ - т) + и1 (t)и2ш (t - т) +

+и1ш (t)и1 (t - т) + и1ш (t)и2ш (t - т)]Л =

= R11 (т) + ^2ш (т) + R1ш1 (т) + ^ш2ш (т), где Ти - время интегрирования.

ад

1,0

0,5

0

IN \ \ V: и /// /

я/2 я юí

Рис. 2. Графики зависимости корреляционной функции К(т) двух синусоидальных сигналов от угла сдвига для различных значений отношения сигнал/шум у: 1 - у 2 - у = 5; 5 - у = 2,5; 4 - у = 0,67

Анализ графиков показывает, что при уменьшении у растет ошибка Дт в определении величины временного сдвига тт траекторий соседних «сканов», соответствующего максимальному значению Rm функции R(t) и используемого для коррекции изображения.

Функциональная схема цифровой ИК-СВЧ-системы наблюдения, реализующей алгоритм (7), (8), представлена на рис. 3, где использованы следующие обозначения: Фе (x, y, Д.) - поверхностно-спектральное распределение потока излучения в инфракрасном (и/или в радиотепловом) диапазоне спектра электромагнитных волн; u1(t) - матрица электрических сигналов с выхода ЧЭ «области пересечения соседних сканов» во время предыдущего «скана»; u2(t) - матрица электрических сигналов с выхода ЧЭ «области пересечения соседних сканов» во время последующего «скана»; ADC - аналого-цифровой пре-

образователь; MPL - умножитель; SM - сумматор; SW - электронный ключ; DEL - элемент задержки; ЦР - цифровой регистратор. Электрические сигналы с выхода (тхк) ЧЭ приемника во время предыдущего «скана» u1(t) и с выхода (тхк) ЧЭ приемника во время последующего «скана» u2(t) последовательно (через время т) поступают на умножитель MPL и сумматор SM, в результате чего вычисляются значения матричной корреляционной функции R(x). В экстремальном регуляторе осуществляется поиск максимума Rm функции R(t), и определяется величина тт временной задержки т видеосигнала u2 (t, т); корректирующий сдвиг этого сигнала для компенсации геометрических искажений изображения, возникших вследствие пространственно-угловых эволюций носителя, осуществляется с помощью управляемой цифровой линии задержки DEL.

MPL SM

Tm 1 Г

SW DEL

Экстремальный регулятор Поиск

к ЦР -►

Rm Tm

Рис. 3. Схема коррекции геометрических искажений изображения в цифровой ИК-СВЧ-системе наблюдения

1-й

строчный кадр

4-й строчный кадр

НП I

Строчный кадр

2-й

строчный кадр

5-й строчный кадр

3-й строчный кадр

6-й строчный кадр

Лента

Строчный кадр

1-й 2-й 3-й

строчный строчный строчный

кадр кадр кадр

4-й 5-й 6-й

строчный строчный строчный

кадр кадр кадр

НП I

Рис. 4. Результат одностороннего строчного косого сканирования наблюдаемой поверхности матрицей приемника (перекрытия «сканов» не показаны)

Рис. 5. Полное изображение (сшитое в ленту) фрагмента наблюдаемой поверхности после цифровой обработки (НП - направление полета ЛА)

Описанный алгоритм коррекции геометрических искажений легко реализуется и в перспективной цифровой широкоугольной ИК-аппаратуре наблюдения с косым сканированием наблюдаемой поверхности матричным приемником [7, 8]. На рис. 4, 5 показаны вариант одностороннего строчного косого сканирования наблюдаемой поверхности матричным приемником и полное изображение фрагмента наблюдаемой поверхности, сшитое в ленту с помощью цифровой обработки.

Предложенные алгоритм и схемное решение системы коррекции геометрических искажений изображения в ИК-канале комплексной ИК-СВЧ-системы наблюдения выгодно отличаются от известных схем коррекции, реализованных в отечественных и зарубежных ИК-системах с линейным сканированием [6], перспективны для применения в системах с адаптивным цифровым косым сканированием матрицей приемника [9] и аналогичным образом могут быть использованы в СВЧ-канале.

Литература

1. Кощавцев Н.Ф., Падалко Г.А., Покотило С.А. [и др.] Обоснование облика, состава и характеристик системы обнаружения комплекса активной защиты // Вопросы специальной радиоэлектроники: науч.-техн. сб. М., Таганрог, 2011. Вып. 2. С. 15 - 30.

Поступила в редакцию

2. Кощавцев Н.Ф., Падалко Г.А., Покотило С.А. [и др.] Автоматический комплекс активной защиты универсального назначения // Патент России № 114770. 2012. Бюл. № 10.

3. Сосновский А.А., Хаймович И.А., Лутин Э.А., Максимов И.Б. Авиационная радионавигация: справочник / под ред. А.А. Сосновского. М., 1990. 264 с.

4. Кузнецов А.Г. Инерциальные навигационные системы разработки ОАО «МИЭА». Результаты внедрения и перспективы развития // 1-я Всерос. науч.-практ. конф. «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах», Ульяновск, 6 - 10 сентября 2011 г.: тез. докл. Ульяновск, 2011. С. 4 - 15.

5. Филяшкин Н.К., Рогожин В.А. Использование косвенных методов измерений для оценки точностных характеристик измерителей вертикали на этапе летных испытаний // Електрошка та системи управлшня. Кш'в: 2011. № 2(28). С. 39 - 45.

6. Покотило С.А. Адаптивные оптико-электронные средства дистанционного зондирования // Зарубеж. радиоэлектроника. 1994. № 6. С. 37 - 48.

7. Падалко Г.А., Покотило С.А., Дудник В.В. и др. Системы дистанционного зондирования земной поверхности // Трубопроводный транспорт. 2007. № 1. С. 86 - 89.

8. Покотило С.А., Падалко Г.А., Четвериков Л.Л., Па-пышев В.В. Модернизированная широкоугольная аппаратура инфракрасной аэросъемки // Науч.-техн. конф. «Актуальные вопросы создания информационно-управляющих систем воздушного и космического базирования», Москва, 26 мая 2011 г. Сб. тез. докл. М., 2011. С. 54 - 55.

9. Покотило С.А., Падалко Г.А. Принципы построения тепловизионных систем наблюдения с адаптивным цифровым сканированием // Науч.-техн. конф. «Актуальные вопросы создания информационно-управляющих систем воздушного и космического базирования»: сб. тез. докл. Москва, 26 мая 2011 г. М., 2011. С. 48.

8 апреля 2013 г.