Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác nhận dạng và xác định tham số mục tiêu dựa trên ảnh ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa phân cực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ --- BÙI NGỌC THỦY NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC NHẬN DẠNG VÀ XÁC ĐỊNH THAM SỐ MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

BÙI NGỌC THỦY

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC

NHẬN DẠNG VÀ XÁC ĐỊNH THAM SỐ MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH

RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC VÀ GIAO THOA PHÂN CỰC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 Đại tá, PGS TS Lê Vĩnh Hà

2 Trung tá, TS Phạm Minh Nghĩa

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả nghiên cứu

và số liệu trình bày trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố ở trong

bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

NGƯỜI CAM ĐOAN

Bùi Ngọc Thủy

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân

sự, Bộ Quốc phòng, phòng Đào tạo và Viện Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Phòng kỹ thuật trinh sát điện tử

Xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Sĩ quan kỹ thuật quân sự và Khoa Kỹ thuật cơ sở nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành nhiệm vụ

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy hướng dẫn, các nhà khoa học, đồng nghiệp và người thân đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tác giả hoàn thành luận án này

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG, XÁC ĐỊNH THAM SỐ MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH RA ĐA PHÂN CỰC VÀ GIAO THOA PHÂN CỰC 6

1.1 Phương trình ra đa 10

1.2 Sự hình thành ảnh ra đa mặt mở tổng hợp 12

1.2.1 Các tham số chính của hệ thống SAR 13

1.2.2 Độ phân giải không gian của ảnh SAR 14

1.2.3 Cấu tạo của ảnh SAR 16

1.3 Đặc trưng phân cực mục tiêu 19

1.3.1 Thông tin phân cực 19

1.3.2 Vector mục tiêu tán xạ k 21

1.3.3 Ma trận kết hợp [T] và ma trận hiệp phương sai [C] phân cực 25

1.4 Các cơ chế tán xạ 27

1.4.1 Tán xạ bề mặt 27

1.4.2 Tán xạ nhị diện 28

1.4.3 Tán xạ khối 29

1.4.4 Tán xạ xoắn ốc 30

1.4.5 Tán xạ dây 31

1.5 Tính chất tán xạ mục tiêu phân cực 32

1.6 Kỹ thuật phân hoạch mục tiêu phân cực PolSAR 35

1.7 Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa 36

1.8 Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa phân cực 38

1.9 Kết luận chương 1 41

Chương 2 ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC 42

2.1 Kỹ thuật phân hoạch mục tiêu dựa trên ảnh ra đa phân cực 44

2.1.1 Kỹ thuật phân tích mục tiêu kết hợp 44

2.1.2 Kỹ thuật phân tích mục tiêu theo mô hình tán xạ 44

2.2 Nhận dạng mục tiêu dựa trên kỹ thuật phân hoạch 3 thành phần tán xạ cải tiến với mô hình khối thích nghi 55

2.2.1 Thành phần tán xạ nhị diện bất đối xứng 55

2.2.2 Thành phần tán xạ khối 56

2.2.3 Kỹ thuật phân hoạch đề xuất 57

2.2.4 Kết quả thực nghiệm 60

2.3 Nhận dạng mục tiêu nhân tạo dựa trên kỹ thuật phân hoạch bốn thành phần với mô hình tán xạ khối mở rộng 65

2.3.1 Các thành phần tán xạ cơ bản 66

2.3.2 Kỹ thuật phân hoạch đề xuất 67

2.3.2 Kết quả thực nghiệm 69

2.4 Kết luận chương 2 73

Chương 3 ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ MỤC TIÊU DỰA TRÊN ẢNH RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP GIAO THOA PHÂN CỰC 74

3.1 Các phương pháp ước lượng độ cao mục tiêu 75

3.1.1 Kỹ thuật nghịch chuyển ba trạng thái 75

3.1.2 Kỹ thuật ước lượng tham số mục tiêu theo phương pháp xoay bất biến 80

3.1.3 Lý thuyết tập kết hợp 82

3.2 Ước lượng tham số rừng dựa trên kỹ thuật phân hoạch mục tiêu cho ảnh PolInSAR 90

3.2.1 Sự kết hợp giao thoa phân cực 91

3.2.2 Các cơ chế tán xạ cho dữ liệu PolInSAR 92

3.2.3 Ước lượng tham số tán xạ của cây 97

3.2.4 Ước lượng tham số của địa hình sử dụng nguyên lý tập kết hợp 99

3.2.5 Kết quả thực nghiệm 100

3.3 Kết luận chương 3 109

KẾT LUẬN 110

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục các kí hiệu

C S , C D , C V , C H Ma trận hiệp phương sai tương ứng với các cơ chế tán

xạ bề mặt, nhị diện, khối và xoắn ốc

Cint,  Ma trận giao thoa phức chứa các thông tin về giao thoa

f S , f D , f V , f H Các hệ số công suất tán xạ tương ứng với các cơ chế tán

xạ bề mặt, nhị diện, khối và xoắn ốc

P S , P D , P V , P H Công suất đóng góp của thành phần tán xạ bề mặt,

nhị diện, khối và xoắn ốc

R Khoảng cách giữa ra đa và mục tiêu

R H Hệ số phản xạ cho sóng phân cực ngang

R V Hệ số phản xạ cho sóng phân cực đứng

RMSE Sai số quân phương trung bình

T S , T D , T V , T H Ma trận kết hợp tương ứng với các cơ chế tán xạ bề mặt,

nhị diện, khối và xoắn ốc

  Các giá trị riêng của 

  R xx Ma trận tương quan tín hiệu của ma trận [S1] và [S2]

PolSAR Ra đa mặt mở tổng hợp phân cực

PolInSAR Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa phân cực

InSAR Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Tham số hệ thống đối với vệ tinh không gian và hệ thống SAR hàng

không 14

Bảng 1.2 Chế độ phát và thu các kênh phân cực 20

Bảng 2.1 Bảng tỷ lệ các điểm ảnh có thành phần công suất không âm 64

Bảng 3.1 Sự tương quan giữa các loại hình dạng kết hợp 90

Bảng 3.2 Tham số rừng được ước lượng từ dữ liệu mô phỏng 101

Bảng 3.3 Tham số rừng được ước lượng từ hai phương pháp 106

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sự tương tác của sóng điện từ trường với một mục tiêu 10

Hình 1.2 Dải sóng siêu cao tần của hệ thống SAR 12

Hình 1.3 Cấu trúc hình học cơ bản của SAR không gian 13

Hình 1.4 Khoảng cách mặt đất chiếu theo cự ly nghiêng 17

Hình 1.5 Méo dạng hình học do sự co hẹp địa hình trên ảnh SAR 17

Hình 1.6 Méo dạng hình học do sự dãn rộng địa hình trên ảnh SAR 18

Hình 1.7 Bóng khuất của ra đa SAR 19

Hình 1.8 Các kiểu phân cực trong ra đa viễn thám 20

Hình 1.9 Hệ thống phát và thu nhận của ra đa viễn thám 20

Hình 1.10 Sự tương tác của sóng điện từ với nhiều mục tiêu 21

Hình 1.11 Cấu hình hệ thống ra đa phân cực 24

Hình 1.12 Mối quan hệ giữa ba ma trận [S], [T] và [C] 27

Hình 1.13 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ bề mặt 28

Hình 1.14 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ nhị diện 29

Hình 1.15 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ khối 30

Hình 1.16 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ xoắn ốc 31

Hình 1.17 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ dây 31

Hình 1.18 Phản xạ đối xứng quanh tầm nhìn thẳng 32

Hình 1.19 Đối xứng quay vòng quanh LOS 33

Hình 1.20 Đối xứng phản xạ và quay quanh LOS 34

Hình 1.21 Cấu trúc hình học của ra đa giao thoa 37

Hình 1.22 Hình ảnh thu thập từ PolInSAR 39

Hình 2.1 Các kỹ thuật phân hoạch mục tiêu điển hình 43

Hình 2.2 Các mô hình tán xạ cơ bản 45

Hình 2.3 Nhận dạng mục tiêu dựa trên kỹ thuật phân tích Freeman_Durden 50

Hình 2.4 Tán xạ bất đối xứng 53

Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán đề xuất 59

Hình 2.6 Khu vực khảo sát 61

Hình 2.7 Ảnh phân hoạch khu vực khảo sát 61

Hình 2.8 Đồ thị  tại các khu vực thử nghiệm 62

Hình 2.9 Biểu đồ tròn ba thành phần tán xạ của các khu vực khảo sát 63

Hình 2.10 Lưu đồ thuật toán 69

Hình 2.11 Hình ảnh quang của khu vực khảo sát 70

Hình 2.12 Ảnh phân hoạch khu vực khảo sát 70

Hình 2.13 Biểu đồ tròn bốn thành phần tán xạ của các khu vực khảo sát 72

Hình 3.1 Phương pháp nghịch chuyển ba trạng thái 76

Hình 3.2 Thuật toán ESPRIT 82

Hình 3.3 Các định nghĩa khác nhau của tập kết hợp 84

Hình 3.4 Tập kết hợp 1PS cho vùng che phủ IPS với điều kiện tham chiếu của PS , 1SM, 2SM và  86

Hình 3.5 Các hình dạng tập kết hợp khả dụng S() trong mặt phẳng kết hợp phức 88

Hình 3.6 Ví dụ về dạng hình học tập kết hợp chung cho một chuyển đổi đơn kênh với phản xạ đối xứng 90

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán 98

Hình 3.8 Ảnh mã hóa Pauli RGB 101

Hình 3.9 Độ cao rừng được ước lượng từ phương pháp đề xuất 102

Hình 3.10 Ước lượng tham số rừng từ phương pháp đề xuất 102

Hình 3.11 Hình ảnh quang của khu vực khảo sát 103

Hình 3.12 Khu vực khảo sát ở TienShan 104

Hình 3.13 Đồ thị so sánh kết quả chiều cao 104

Hình 3.14 Chiều cao rừng ước lượng của hai phương pháp 105

Hình 3.15 Mức độ ngẫu nhiên của vùng khảo sát 107

Hình 3.16 Góc định hướng trung bình của vùng khảo sát 107

Hình 3.17 Ước lượng tham số cho khu vực khảo sát 108

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Bài toán phát hiện và nhận dạng mục tiêu, xác định các tham số mục tiêu sử dụng ảnh ra đa viễn thám là hướng nghiên cứu cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao Trong hai thập kỷ gần đây, nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ, dữ liệu viễn thám được sử dụng ngày càng nhiều và hỗ trợ rất hiệu quả nhằm đạt được yếu tố bất ngờ nhất trong tác chiến, chiến tranh hiện đại Thông qua các ảnh, dữ liệu viễn thám thu được từ vệ tinh không gian và hàng không với nhiều cảnh ảnh có độ phân giải cao thì việc nhận dạng và xác định các đối tượng như mục tiêu quân sự, mục tiêu dân sự cho kết quả tương đối chính xác từ xa mà không phải tiếp cận các đối tượng Ngày nay, nhằm đáp ứng nhu cầu đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi hệ sinh thái rừng, băng… tới hiện tượng biến đổi khí hậu và ấm lên trên toàn cầu thì kỹ thuật công nghệ viễn thám đã và đang được nghiên cứu phát triển, ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực đời sống kinh tế - xã hội Đặc biệt phải kể đến công nghệ PolSAR (Polarimetric Synthetic Aperture Radar) và PolInSAR (Polarimetric Interferometric Synthetic Aperture Radar) Một trong những ứng dụng nổi bật và đầy triển vọng của công nghệ PolInSAR đã và đang được nghiên cứu phát triển như phân loại, nhận dạng mục tiêu (NDMT) và xác định các tham số của khu vực rừng, khu vực đất nông nghiệp và băng… Thực tế, công nghệ viễn thám đã và đang mang

hổ trợ ngày càng hiệu quả cho công tác quy hoạch đô thị, quản lý cơ sở hạ tầng, tìm kiếm cứu nạn, cứu hộ trên biển, giám sát biên giới, hải đảo, giám sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường, ứng phó với biến đổi khí hậu, quốc phòng – an ninh và phát triển kinh tế xã hội

Đối với lĩnh vực viễn thám hiện nay, một số quốc gia có nền khoa học tiên tiến, các nước ASEAN trong khu vực đã chú trọng nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ viễn thám với nhiều mục đích khác nhau mang lại nhiều lợi ích cho hầu hết các lĩnh vực đời sống kinh tế - xã hội Bên cạnh đó, Việt Nam đã kế thừa phát triển mạnh mẽ cộng nghệ viễn thám với mong muốn làm chủ công nghệ cao và

đã phóng thành công vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 (Vietnam Natural Resources Environment and Disastermonitoring Satellite-1) hoạt động ổn định cho thu nhận

hình ảnh dữ liệu từ vệ tinh Từ thành công này, Việt Nam đã có thể sử dụng hệ thống vệ tinh viễn thám (VNREDSat-1) để giám sát hiện trạng các hoạt động diễn

ra ở khu vực Biển Đông, số hóa bản đồ địa hình đất nước Việt Nam, giám sát khí tượng, thủy văn song song với đó, việc sử dụng dữ liệu từ các hệ thống vệ tinh viễn thám cho việc NDMT quân sự và dân sự như sự thay đổi về hình dạng, kích thước của mục tiêu, các tham số của mục tiêu cả trên biển cũng như trên đất liền đang đóng vai trò rất quan trọng trong bảo vệ chủ quyền lãnh thổ của Tổ quốc và qui hoạch quốc gia Tuy nhiên, vệ tinh viễn thám VNREDSat-1 vẫn còn hạn chế, phụ thuộc vào thời tiết như khi gặp điều kiện thời tiết xấu như mưa, mây che phủ khó có thể nhận dạng và xác định được mục tiêu Do đó, để bảo vệ chủ quyền vùng biển đảo thiêng liêng của Tổ quốc, Đảng và nhà nước ta hơn lúc nào hết cần nghĩ đến việc ứng dụng khoa học công nghệ viễn thám để giám sát biên giới biển, hải đảo và bảo vệ toàn vẹn lãnh thổ của Tổ quốc

Xuất phát từ các nhu cầu thực tiễn, ứng dụng kỹ thuật viễn thám cho nhận dạng và phát hiện mục tiêu, ước lượng tham số mục tiêu ngày càng trở nên phổ biến Từ đó cho thấy việc nghiên cứu các thuật toán và phương pháp nâng cao độ chính xác nhận dạng, xác định các tham số của mục tiêu quân sự (mục tiêu vừa và nhỏ), mục tiêu tự nhiên và nhân tạo như: sinh khối rừng; hệ sinh thái rừng; vùng cây nông nghiệp; khu vực đô thị (KVĐT); khu công nghiệp và các quần đảo thuộc chủ quyền của Việt Nam; các công trình quân sự như đường băng, sân bay, chiến hào

sử dụng ảnh viễn thám PolSAR, PolInSAR trở nên cấp thiết, đồng thời cũng là thách thức lớn cho các nhà khoa học nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ viễn thám Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám được coi là một công nghệ đi đầu và chiếm ưu thế hiện nay

Đề tài của luận án “Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác nhận dạng và xác định tham số mục tiêu dựa trên ảnh ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa phân cực” tập trung nghiên cứu theo hướng xây dựng các thuật

toán, khảo sát, mô phỏng, so sánh, đánh giá khả năng nhận dạng và xác định tham

số mục tiêu dựa trên dữ liệu ảnh PolSAR và PolInSAR

Luận án đã xây dựng và đề xuất các thuật toán KTPH ba thành phần cho ảnh PolSAR với MHTX nhị diện bất đối xứng (BĐX), KTPH bốn thành phần mở rộng cho ảnh PolSAR với MHTX BĐX và phương pháp nâng cao độ chính xác ước lượng độ cao rừng sử dụng ảnh PolInSAR băng L Hiệu quả các phương pháp đề xuất được khảo sát, đánh giá trên cơ sở dữ liệu ảnh PolSAR và PolInSAR, kết quả của ba phương pháp trên cho thấy có thể nâng cao độ chính xác, cũng như cải thiện khả năng NDMT so với một số thuật toán trước đó

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu cơ sở khoa học và các giải pháp nâng cao độ chính xác nhận dạng và xác định tham số mục tiêu tự nhiên, mục tiêu nhân tạo và ước lượng chiều cao rừng dựa trên ảnh PolSAR và PolInSAR

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Kỹ thuật phân hoạch mục tiêu PolSAR dựa trên kỹ thuật phân hoạch theo mô hình tán xạ ba thành phần của Freeman và mô hình tán xạ bốn thành phần của Yamaguchi Kỹ thuật phân hoạch PolInSAR dựa trên nguyên lý tập kết hợp và kỹ thuật phân hoạch ba thành phần cho ảnh PolInSAR Từ đó xây dựng đề xuất các giải pháp và mô phỏng cho bài toán nâng cao độ chính xác trong việc giải đoán, nhận dạng và xác định các tham số mục tiêu đã được nghiên cứu trong luận án

4 Nội dung nghiên cứu

Luận án thực hiện nghiên cứu một số giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác, tin cậy, ổn định cho nhận dạng mục tiêu dựa trên ảnh PolSAR Ngoài ra luận án cũng thực hiện nghiên cứu giải pháp nhằm cải thiện độ tin cậy trong xác định các tham số rừng dựa trên ảnh PolInSAR

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập thông tin, tài liệu, phân tích tổng hợp các công trình, bài báo khoa học đã công bố trên thế giới và trong nước Thu thập nguồn dữ liệu ảnh PolSAR và PolInSAR có liên quan đến các khu vực thử nghiệm

- Nghiên cứu các kỹ thuật phân hoạch mục tiêu và xây dựng mô hình thuật toán nhằm cải thiện độ chính xác cho việc nhận dạng, xác định các tham số mục tiêu dựa trên ảnh PolSAR và PolInSAR

- Kỹ thuật lập trình và ứng dụng công nghệ tin học trong xây dựng chương trình thực hiện tính toán, mô phỏng sử dụng công cụ MATLAB kết hợp phần mềm chuyên dụng ENVI 5.0 và PolSARproSim, thực hiện thực nghiệm kiểm chứng

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hoàn thiện lý thuyết về kỹ thuật phân hoạch mục tiêu dựa trên mô hình tán xạ ba thành phần và bốn thành phần cho ảnh PolSAR với mô hình tán xạ bất đối xứng nhằm nâng cao khả năng nhận dạng mục tiêu tự nhiên, mục tiêu nhân tạo và nâng cao độ chính xác cho ước lượng chiều cao rừng cho ảnh PolInSAR

- Kết quả nghiên cứu của luận án cung cấp những đánh giá đầy đủ về cơ sở khoa học cũng như kết quả thử nghiệm của các giải pháp nâng cao độ chính xác nhận dạng và xác định mục tiêu có thể ứng dụng cho mục đích quân sự và dân sự Phục vụ cho nghiên cứu giảng dạy, lĩnh vực nghiên cứu chuyên ngành, hiện thực hóa các phần mềm ứng dụng và phát triển công nghệ viễn thám tại Việt Nam

7 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận, danh mục các công trình khoa học đã công bố của tác giả liên quan đến luận án và tài liệu tham khảo

Với nội dung nghiên cứu đặt ra ở trên, luận án được bố cục như sau:

Phần mở đầu: Đánh giá tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa thực tế, ý nghĩa

khoa học của đề tài, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài Trên cơ sở đó xác định phương pháp, nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 1: Tổng quan về nhận dạng và xác định tham số mục tiêu dựa trên

ảnh ra đa phân cực và giao thoa phân cực

Nội dung chính của chương 1 là giới thiệu tổng quan về tính chất phân cực mục tiêu, KTPH mục tiêu phân cực và nguyên lý của giao thoa phân cực, đánh giá tổng quan các vấn đề nghiên cứu về KTPH mục tiêu Trên cơ sở những nghiên cứu trên, từ đó đưa ra giải pháp xây dựng các thuật toán đề xuất

Chương 2: Đề xuất thuật toán nhận dạng mục tiêu dựa trên ảnh ra đa mặt

mở tổng hợp phân cực

Nội dung chính của chương 2 là nghiên cứu tổng quan các KTPH và tập

trung nghiên cứu các nhược điểm của hai kỹ thuật điển hình Freeman và Yamaguchi Từ đó, xây dựng mô hình và đề xuất hai thuật toán: NDMT dựa trên KTPH 3 thành phần cải tiến và KTPH 4 thành phần mở rộng với MHTX nhị diện BĐX Thực nghiệm kiểm chứng, mô phỏng và đánh giá hiệu quả các thuật toán nghiên cứu và đề xuất cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của thuật toán trong môi trường tự nhiên và môi trường nhân tạo

Chương 3: Ước lượng tham số mục tiêu dựa trên ảnh Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa phân cực

Trong chương này nghiên cứu tổng quan về các phương pháp ước lượng độ cao mục tiêu và đề xuất một thuật toán dựa trên cơ sở tối ưu các tham số của KTPH mục tiêu kết hợp với tối ưu các tham số của tập kết hợp Thuật toán trên được khảo sát, đánh giá và so sánh với các thuật toán trước đó trong môi trường phân bố tự nhiên

Phần kết luận: Khẳng định và nêu rõ những kết quả nghiên cứu đã đạt được

trong luận án; Chỉ ra những đóng góp khoa học mới của luận án; Đề xuất hướng ứng dụng và phát triển của đề tài luận án

Hệ thống PolSAR là dạng mở rộng của kỹ thuật SAR đơn kênh, nó giúp ta xác định được các thông tin liên quan đến mục tiêu như: hình dạng, kích thước và hằng số điện môi của mục tiêu Hệ thống InSAR là một hệ thống được hình thành dựa trên sự kết hợp giao thoa từ 2 hệ thống SAR, nó cung cấp các thông tin liên quan đến độ cao mục tiêu Đặt biệt trong lĩnh vực quản lý và giám sát tài nguyên môi trường, kỹ thuật PolInSAR là sự kết hợp giữa hai kỹ thuật PolSAR và InSAR nhằm để nâng cao khả năng ước lượng và xác định chính xác các tham số mục tiêu Ngày nay, các ứng dụng khác nhau sử dụng ảnh PolInSAR đã được phát triển và ứng dụng để phân tích, đánh giá, giám sát, ước lượng tham số các mục tiêu như thảm thực vật, tuyết, băng, rừng và khu vực đô thị trong các công trình [18], [26], [37], [60] và [61]

Trong hơn hai thập kỷ gần đây, đã có nhiều KTPH theo mô hình tán xạ (MHTX) đã công bố và chúng có thể chia làm hai loại chính: KTPH theo trị riêng được đề xuất bởi Cloude [67]; KTPH dựa trên MHTX cơ bản như KTPH Freeman

và Durden (FDD) [13], trong FDD mô tả quá trình tán xạ ngược của sóng ra đa với mục tiêu được mô hình hóa bằng 3 MHTX: Tán xạ bề mặt, tán xạ nhị diện và tán xạ khối Sau đó, để khắc phục nhược điểm của FDD nên Yamaguchi [79] mở rộng KTPH bốn thành phần bổ sung thêm thành phần tán xạ thứ 4 là tán xạ xoắn ốc Để khắc phục các nhược điểm KTPH của FDD và Yamaguchi cho thành phần tán xạ khối, Arri và Antropov [56] đã đề xuất MHTX khối thích nghi và MHTX khối tổng quát [59] Vấn đề thành phần công suất âm cũng được Arri [56] đề cập và giải quyết bằng cách hạn chế công suất của thành phần tán xạ khối Mặc dù, đã thực hiện bù góc định hướng, thậm chí giảm thiểu thành phần phân cực chéo cũng như thành phần công suất tán xạ khối vẫn còn vượt mức tại các KVĐT

Sóng tán xạ nhận được tại anten thu của hệ thống PolSAR liên quan đến các tham số mục tiêu như: hằng số điện môi, hình dạng và sự định hướng và các thông

số hệ thống ra đa như tần số, cấu trúc hình học Dựa trên việc khai thác thông tin phân cực đa băng và thông tin giao thoa phân cực trong các ảnh SAR nhằm để nhận dạng chính xác mục tiêu, xác định các tham số liên quan đến mục tiêu dựa trên ảnh PolSAR và PolInSAR, ngoài ra trong chương 3 luận án đề xuất 1 thuật toán có thể khôi phục được các tham số mục tiêu

Thứ nhất, các đặc tính tán xạ của mục tiêu được nghiên cứu sâu, bao gồm mục tiêu tự nhiên và mục tiêu nhân tạo Phương pháp đề xuất được thể hiện với các hình ảnh phân cực toàn phần của băng L và băng C Các kết quả thực nghiệm sử dụng dữ liệu ảnh PolSAR cho nhận dạng mục tiêu như khu vực rừng, KVĐT, khu vực nông nghiệp

Thứ hai, MHTX phân hoạch mục tiêu dựa trên ảnh PolInSAR cũng được nghiên cứu trong luận án Phương pháp phân hoạch mục tiêu dựa trên ảnh PolInSAR được chứng minh với dữ liệu giao thoa phân cực toàn dải băng L Các kết quả mô phỏng khẳng định tính đúng đắn của thuật toán đề xuất và nâng cao độ chính xác

MHTX cho KVĐT (BASM- built-up area scattering model) liên quan đến các tham số tòa nhà có thể được nhận dạng bằng các cơ chế tán xạ chủ đạo liên quan đến tòa nhà Việc trích xuất tham số mục tiêu KVĐT là một nhiệm vụ phức tạp vì bản chất khác nhau của các đối tượng tập trung cao về mặt không gian Để nhận dạng các KVĐT, mục tiêu nhân tạo phải được phân biệt đối với môi trường tự nhiên xung quanh dựa vào hệ số tương quan để phân biệt các cơ chế tán xạ chủ đạo Các kết quả thực nghiệm phù hợp với các tham số được trích xuất hiệu quả bởi BASM được đề xuất

Một số công trình liên quan đến luận án:

* Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Kỹ thuật viễn thám là một trong những thành tựu khoa học vũ trụ đã đạt đến trình độ cao và đã trở thành công nghệ phổ biến được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: quân sự, kinh tế, xã hội, quản lý môi trường, thủy văn và địa lý Một

số quốc gia như Hoa kỳ, Canada, Nga, Pháp, Nhật, Đức, Trung Quốc… đã được đầu tư và phát triển rất mạnh trong chinh phục không gian và mang lại rất nhiều lợi ích cho nhân dân và đất nước Kỹ thuật viễn thám sử dụng ra đa phân cực đã được nghiên cứu, phát triển cho nhiều mục đích khác nhau đã và đang được nhiều quốc gia quan tâm Đặc biệt, PolSAR và PolInSAR đang mở ra một hướng đi mới cho công nghệ viễn thám Có rất nhiều các công trình nghiên cứu về KTPH mục tiêu theo MHTX sử dụng dữ liệu PolSAR cho ước lượng, nhận dạng và phân loại mục tiêu đã được công bố như: Cloude [64], Freeman-Durden [13], Xu [36], Yamaguchi [79], Zhang [43], [44], Arri [54], Antropov [59], Jiao [81]… PolInSAR được công

bố đầu tiên vào năm 1998 bởi Cloude [68] Hệ thống SAR giao thoa phân cực là kỹ thuật kế thừa của kỹ thuật viễn thám sử dụng ảnh ra đa SAR, nó là sự kết hợp các

ưu điểm của PolSAR và InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) PolInSAR không chỉ cung cấp các thông tin liên quan đến hình dạng, mật độ phân

bố, công suât tán xạ của mục tiêu mà còn cung cấp các thông số liên quan đến cao

độ, độ biến dạng của mục tiêu Do vậy, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về xác định tham số của mục tiêu sử dụng ảnh PolInSAR được công bố như: Yamada [32], Ballester-Berman [39] và Zhang [45]

Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng nhanh chóng không chỉ trong phạm vi quốc gia, mà còn ra ngoài phạm vi quốc tế Những kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách đưa ra các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng

và quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường Vì vậy viễn thám được sử dụng như là một công nghệ đi đầu rất có ưu thế hiện nay

* Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ở Việt Nam, kỹ thuật viễn thám đã được đưa vào sử dụng từ năm 1976 (Viện Điều tra quy hoạch rừng) Mốc quan trọng để đánh dấu sự phát triển của kỹ thuật viễn thám tại Việt Nam là sự hợp tác nhiều bên trong khuôn khổ của chương trình

vũ trụ quốc tế (Inter Kosmos) Từ những năm 1990, nhiều nghành đã đưa công nghệ viễn thám vào ứng dụng trong thực tiễn như các lĩnh vực khí tượng, đo đạc bản đồ,

địa chất khoáng sản, quản lý tài nguyên rừng và đã thu được các kết quả rõ rệt như giảm thiểu tới mức thấp nhất thiên tai ở một số vùng

Hiện nay, Việt Nam đã đạt được những thành tựu nhất định trong việc phóng

vệ tinh thu ảnh viễn thám với nhiều loại dữ liệu khác nhau như dữ liệu ảnh quang đen trắng và dữ liệu ảnh quang phổ Đặc biệt gần đây, Việt Nam đã phóng thành công lên quỹ đạo vệ tinh VNREDSat-1 là vệ tinh viễn thám đa mục đích, có khả năng cung cấp các ảnh viễn thám với diện tích quét rộng và độ phân giải cao Tính đến nay, trạm thu ảnh viễn thám đã thu được rất nhiều cảnh ảnh (bao gồm ảnh toàn sắc và ảnh đa phổ) trong đó số ảnh thu được bên ngoài lãnh thổ Việt Nam chiếm 90% và 10% số ảnh thu được trong lãnh thổ Việt Nam Tuy nhiên, tỷ lệ số lượng ảnh đạt chất lượng hiện vẫn chưa cao Công tác thực tế cho thấy, đối với KVĐT việc kết hợp sử dụng ảnh vệ tinh với phương pháp đo đạc hiện đại có thể giảm 10 lần chi phí và thời gian khảo sát Trong thời gian vừa qua việc nghiên cứu về kỹ thuật viễn thám được rất nhiều các nhà khoa học tại Việt nam tiến hành tiêu biểu như PGS TS Bảo Huy [6], PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch và Nguyễn Thị Hồng Nhung [57], [74], Trần Thị Thu Lương [8] Tuy nhiên, các nhà khoa học chú trọng đến nghiên cứu về công nghệ GIS (Geographical Information Systems) dựa trên các

dữ liệu ảnh vệ tinh quang học Một số nghiên cứu gần đây nhất về Ra đa mặt mở tổng hợp giao thoa (InSAR) gồm các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp giao thoa ra đa như TS Hồ Tống Minh Định [12] (Trường đại học như Bách khoa TPHCM) ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xây dựng mô hình độ cao số DEM (Digital Elevation Model), TS Đặng Vũ Khắc (Trường ĐHSP Hà Nội) [4], [7], [74]

áp dụng phương pháp InSAR để xác định hiện tượng lún đất trong vùng đô thị trung tâm Thành phố Hà Nội, Lê Văn Trung, Hồ Tống Minh Định nghiên cứu thành lập mô hình số độ cao DEM [2], [12], [42] Như vậy, trong những năm qua nhiều cơ quan của nước ta đã tiếp cận với công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra, giám sát môi trường Tuy nhiên, những kết quả thu được mới đề cập đến một số khía cạnh môi trường một cách rời rạc, tản mạn và được thực hiện trong khuôn khổ của các đề tài, các dự án với các mục tiêu khác nhau

Hiện tại, Cục viễn thám, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, một số Trường Đại học cùng với nhiều nhà khoa học cũng đang nghiên cứu về hệ thống SAR, InSAR và các ứng dụng của nó Đào Chí Thành [10], [11] nghiên cứu

các giải pháp phát hiện mục tiêu ra đa cho các đài phát sóng có phân cực thay đổi trong hệ thống tự động điều khiển không lưu, Đặng Vũ Hồng [5], Nguyễn Quốc Ân [1] cũng chỉ đề cập đến bài toán phát hiện tín hiệu ra đa dựa vào dấu hiệu phân cực

và nâng cao khả năng phát hiện mục tiêu bằng phương pháp xử lý tín hiệu và Trần Thanh Hà [3] cũng nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác của mô hình số bề mặt được thành lập từ ảnh InSAR bằng phương pháp lọc nhiễu pha trên ảnh giao thoa Qua nghiên cứu và tìm hiểu, trong nước rất ít công trình công bố về phương pháp xác định tham số mục tiêu sử dụng ảnh PolSAR và PolInSAR như tác giả Phạm Minh Nghĩa [2], [62]

mô tả hoặc nhận dạng mục tiêu Trong thực tế, chúng ta thường quan tâm nhiều đến

sự thay đổi liên quan đến sự phân cực của sóng Từ Hình 1.1 ta thấy có thể xảy ra trường hợp mục tiêu quan sát nhỏ hơn vết quét của hệ thống ra đa Trong trường hợp này ta xem mục tiêu như vật tán xạ duy nhất và dựa trên quan điểm về quá trình trao đổi năng lượng thì mục tiêu sẽ được mô tả như tiết diện ra đa Tuy nhiên, đa phần đều gặp mục tiêu lớn hơn vết quét ra đa Chính vì vậy mà có rất nhiều quy ước

để biểu diễn mục tiêu độc lập với kích thước của nó

Hình 1.1 Sự tương tác của sóng điện từ trường với một mục tiêu

Một phương trình toán học tổng quát nhất biểu diễn quá trình tương tác giữa

sóng với mục tiêu được gọi là phương trình ra đa Phương trình này thiết lập mối quan hệ giữa sóng điện từ tới Ei và công suất bức xạ của cùng mục tiêu (sóng tán xạ) ES Phương trình ra đa biểu diễn như sau:

Trong đó P R là công suất nhận được tại máy thu, P T là công suất phát, G T là

độ tăng ích của anten phát, A ER là mặt mở thực của anten thu, r T là khoảng cách giữa

anten phát và mục tiêu, r R là khoảng cách từ mục tiêu và anten thu,  là góc nhìn, 

là hướng quan sát tương ứng với góc phương vị và góc nâng,  là hệ số diện tích hiệu dụng ra đa Hệ số  xác định ảnh hưởng tới mục tiêu dựa trên tính cân bằng

về công suất được xây dựng trong phương trình ra đa Tiết diện ra đa được xác định thông qua tiết diện của một vật tán xạ đẳng hướng lý tưởng tương đương, nó tạo ra hàm mật độ công suất tán xạ Vậy hệ số tiết diện ra đa có công thức:

2 2 2

E r E

Từ (1.2) ta thấy  là một hàm phụ thuộc vào rất nhiều tham số ra đa như:

các tham số liên quan đến hệ thống xử lý ảnh gồm tần số f, trạng thái phân cực của

sóng góc tới ( , i i) và góc tán xạ ( S, S); các tham số liên quan đến mục tiêu bao gồm cấu trúc hình học của mục tiêu và tính chất phi điện của mục tiêu

Phương trình (1.1) là phù hợp cho các mục tiêu có mặt tán xạ nhỏ hơn ô phân giải của ra đa Trong trường hợp mục tiêu có kích thước lớn hơn ô phân giải của ra

đa thì mục tiêu sẽ được phân thành vô số các vật tán xạ giống nhau Hình 1.1

Khi đó, tổng cường độ điện trường ES bằng tổng cường độ điện trường từ mỗi thành phần nhỏ E S i Để nhận được tổng công suất thu tại mục tiêu, nó cần phải

tích hợp trên vùng diện tích phản xạ hiệu dụng A 0 với:

được gọi là hệ số tán xạ và tỷ lệ thống kê giữa mật độ công suất tán xạ trung bình

với mật độ công suất tới trung bình trong một mặt cầu bán kính r

2 2

Ku, như được biểu diễn trong hình 1.2

Hình 1.2 Dải sóng siêu cao tần của hệ thống SAR

Hệ thống này thường được trang bị trên vật mang chuyển động như máy bay, UAV, tàu không gian, hay vệ tinh và hoạt động trong một cấu trúc hình học với hướng chiếu vuông góc với hướng máy bay Máy thu sử dụng cường độ của năng lượng phản xạ thu được, sự phân cực của sóng điện từ cũng như thời gian truyền sóng để tạo ra ảnh ra đa (hình 1.3) Cường độ và tính chất của năng lượng điện từ án

xạ ngược tới máy thu của hệ thống ra đa sẽ cho biết các thông tin về kích thước, hình dạng, cấu trúc và đặc tính điện từ của bề mặt hoặc các đối tượng trên bề mặt Trái đất Có thể nói ra đa là hệ thống chụp ảnh dựa vào khoảng cách được đo bằng thời gian truyền tín hiệu đi và nhận lại tín hiệu phản hồi từ mục tiêu, đối tượng càng

gần với ăng ten sẽ được ghi nhận trên ảnh trước, đối tượng ở xa ăng ten sẽ được ghi nhận sau

Phương thức vận hành hoạt động này tạo ra một loại cảm biến độc lập với sự chiếu sáng mặt trời và do đó cho phép thu được hình ảnh ngày và đêm Ngoài ra, sóng siêu cao tần hoạt động trong vùng quang phổ tránh được các ảnh hưởng của mây, sương mù, mưa, khói, … trên các kết quả hình ảnh khi tiến hành dưới S-band,

trái lại các hệ thống SAR space- born S-/C-/ X-band cũng được triển khai cho hình

ảnh mây và mưa Các hệ thống ảnh SAR cho phép giám sát trái đất trên quy mô toàn cầu trong mọi thời điểm và trong mọi điều kiện thời tiết

1.2.1 Các tham số chính của hệ thống SAR

Cấu trúc hình học cơ bản của một hệ thống SAR được thể hiện ở hình 1.3

[38] Một mặt phẳng di động dịch chuyển với vận tốc v ở độ cao h và mang một

anten ra đa bên cạnh phát xạ xuống bề mặt trái đất với xung bức xạ điện từ Hướng

đi của mặt phẳng được gọi là hướng phương vị

Hình 1.3 Cấu trúc hình học cơ bản của một SAR không gian

Để đơn giản, trong trường hợp anten được định hướng song song với đường bay Thông thường các anten có hình chữ nhật với kích thước d ad e , trong đó a và

e tương ứng với góc phương vị và độ cao Giản đồ hướng anten có góc:

  d (1.5)

Trong đó, λ là bước sóng ra đa Mối quan hệ trong biểu thức (1.5) xác định

cả phương vị và độ cao, a và e Bước sóng liên quan đến tần số sóng mang của

ra đa f 0 (Hz) cho bởi:

f0 c (1.6)

Trong đó, c là vận tốc ánh sáng Trong biểu thức (1.6) mô tả các thuộc tính

cơ bản của các ảnh SAR, nhưng các định nghĩa khác của độ rộng chùm tia bức xạ cũng thường được sử dụng Các mô tả đầy đủ hơn về mô hình anten hai chiều cũng rất quan trọng vì hình ảnh SAR có độ phân giải cao phải tính đến sự biến thiên không gian của mô hình chiếu xạ

Trong khi chùm tia ra đa quét trên một vật tán xạ cố định X, khoảng cách R

giữa vật tán xạ và độ mấp mô của mặt đất sẽ biến đổi đối xứng về giá trị nhỏ nhất

R 0 của nó Đối với trường hợp luận án nghiên cứu, vật tán xạ sẽ được chụp ảnh ở vị trí phương vị được xác định bởi vị trí tiếp cận gần nhất này và ở một dải được xác

định bởi R 0

Các tham số quan trọng của các xung tín hiệu sóng mang là độ dài xung p, băng thông B, và tần số lặp lại xung (pulse repetition frequency - PRF) Giá trị của các thông số này đối với SAR vệ tinh ERS-1 và giá trị đại diện của SAR hàng không được trình bày trong bảng 1.1 Các tham số được trình bày trong bảng 1.1 là cấu hình phân cực của hệ thống SAR [38]

Bảng 1.1 Tham số hệ thống đối với vệ tinh không gian và hệ thống SAR hàng không

Thông số kỹ thuật Hệ thống SAR vệ

tinh ERS-1

Hệ thống SAR hàng không ORA

Hệ thống E-SAR hàng không DLR

Bước sóng () 5.7cm (Băng C) 3.1cm (Băng X) 2.3cm (Băng L)

1.2.2 Độ phân giải không gian của ảnh SAR

Một trong những tiêu chuẩn quan trọng nhất để đánh giá chất lượng hệ thống ảnh SAR đó chính là độ phân giải không gian của nó Độ phân giải không gian mô

tả khả năng hiển thị của ảnh ra đa sao cho có thể tách rời hai vật thể tán xạ gần nhau

về không gian Để đạt được mức độ phân giải cao trong vùng quan sát thì hệ thống

ra đa cần phải duy trì các xung thu phát của hệ thống có độ rộng rất nhỏ Nhưng, để

có thể thu được một tỉ số tín trên tạp đủ lớn (SNR) thì cần phải sử dụng các xung ngắn với mức năng lượng lớn để có thể phát hiện các tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Một hạn chế là thiết bị được yêu cầu để truyền một xung có độ rộng nhỏ và năng lượng cao rất khó có thể thu được Để đạt độ phân giải theo cự ly so với các xung ngắn, kỹ thuật "nén xung" được sử dụng và bao gồm các xung phát được điều chế tuyến tính theo tần số Tần số của tín hiệu rà soát băng thông trung tâm B trên một

sóng mang tại tần số f 0 Một tín hiệu như vậy được gọi là "chirp" Tín hiệu nhận sau

đó được xử lý với một bộ lọc kết hợp làm nén xung tới một khoảng thời gian hiệu quả bằng 1/B Trường hợp, độ phân giải theo cự ly nghiêng được xác định như sau:

2

c r B

  (1.7)

Độ phân giải theo cự ly trên mặt đất x là thay đổi trong vùng mặt đất liên

quan tới một vùng nghiêng của r với:

r

x sin







 (1.8)

Do vậy, độ phân giải theo cự ly trên mặt đất thay đổi không tuyến tính so với

độ phân giải theo cự ly trên mặt nghiêng Trong hướng dọc theo vệt quét của ra đa thì khi hai vật thể đồng thời trong búp sóng chính của ra đa chúng đều tạo ra những phản xạ và các dấu hiệu phản xạ trở lại của chúng được nhận tại cùng một thời điểm Tuy nhiên, quá trình phản xạ từ một vật thể thứ ba nằm bên ngoài búp sóng chính của ra đa, sẽ không phát hiện được cho tới khi ra đa dịch chuyển lên phía trước Khi vật thể thứ ba được chiếu xạ, hai vật thể ban đầu sẽ không còn được chiếu xạ nữa, do vậy, phản xạ từ vật thể này có thể được ghi lại một cách tách biệt Đối với ra đa khẩu độ thực, hai mục tiêu trong phân giải phương vị hoặc dọc theo vệt quét của ra đa có thể tách rời chỉ khi khoảng cách giữa chúng lớn hơn bề ngang

búp sóng chính của ra đa Độ phân giải theo phương vị tức thời đối với một vùng R0

được cho bởi:

một vùng R 0 và độ phân giải theo phương vị:

2

Y L y

  (1.10) Ngoài ra độ phân giải theo phương vị được xác định bằng kích thước vật lý của anten thực của hệ thống ra đa và độc lập với bước sóng Công thức phân giải phương vị tương ứng cho một hệ thống hình ảnh SAR quỹ đạo được cho bởi biểu thức sau:

2

E Y E

H là độ cao bề mặt địa hình so với mực nước biển

1.2.3 Cấu tạo của ảnh SAR

Một ảnh SAR là một mảng 2-D của các điểm ảnh mà chúng được hình thành

từ các cột và hàng trong đó mỗi điểm ảnh đều liên quan tới một khu vực nhỏ trên bề mặt trái đất, trong đó kích thước của vùng quan sát trên mỗi điểm ảnh phụ thuộc vào các thuộc tính của hệ thống SAR

Mỗi điểm ảnh là một đại lượng phức (biên độ và pha) liên quan tới sự phản

xạ của tất cả các quá trình tán xạ cho một trong ô phân giải SAR Mặc khác, quá trình phản xạ từ bề mặt mục tiêu được biểu diễn như một hệ số tán xạ ngược 0, hệ

số này là một hàm của các tham số hệ thống ra đa như tần số f, trạng thái phân cực sóng, góc tới θ i của các sóng điện từ) và của các tham số bề mặt (địa hình, góc tới cục bộ, độ mấp mô của địa hình, các thuộc tính điện từ của môi trường, độ ẩm…)

Hệ thống ra đa tạo ra ảnh SAR sử dụng một bộ cảm biến ra đa và có hướng chiếu xạ trực giao với hướng đường bay Do kích thước đường chéo trong ảnh SAR được xác định bởi một phép đo theo thời gian kết hợp với khoảng cách trực tiếp (cự

ly nghiêng) từ ra đa tới điểm trên bề mặt đất, ảnh SAR biểu diễn sự méo dạng hình học riêng biệt do sự khác nhau giữa phương cự ly nghiêng và khoảng cách theo phương ngang, hay hướng cự ly trên mặt đất như được chỉ ra trong hình 1.4 [38] Trong ba dạng méo hình học riêng này thì hai nguồn méo hình học đặc trưng chính

là dạng méo do sự "co hẹp" và "dãn rộng" địa hình so với ảnh thu được

Hình 1.4 Khoảng cách mặt đất chiếu theo cự ly nghiêng

Hình 1.5 Méo dạng hình học do sự co hẹp địa hình trên ảnh SAR

Méo dạng do sự co hẹp địa hình trên ảnh SAR là nét đặc trưng nổi bật nhất trong quá trình hình thành ảnh SAR theo hướng cự ly Đó là một ảnh hưởng chính trong các hình ảnh SAR khi thực hiện quét trong các khu vực đồi núi Đặc biệt trong trường hợp các cảm biến không gian nhìn nghiêng, độ lệch của phương cự ly nghiêng và đường quét giữa hai điểm nằm trên khu vực sườn núi phía trước của các đỉnh núi nhỏ hơn so với ở các khu vực bằng phẳng Điều này mang lại đường quét ngắn hơn thực tế trong các thông tin về phép đo bức xạ được tán xạ ngược từ các vùng dốc phía trước như được chỉ ra trong hình 1.5

Hình 1.6 Méo dạng hình học do sự mở rộng địa hình trên ảnh SAR

Các điểm A, B và C được đặt cách đều khi được chiếu thẳng trên mặt đất Tuy nhiên, khoảng cách giữa A' và B' được rút gọn đáng kể so với khoảng cách giữa B' và C', do đỉnh núi gần hơn với cảm biến SAR và các ngọn núi dường như nghiêng về phía cảm biến Trong trường hợp địa hình có độ dốc lớn, do vật tán xạ trên đỉnh ngọn núi khá gần với hệ thống SAR so với vật tán xạ được đặt trong thung lũng nên độ dốc phía trước sẽ bị đảo ngược trong các ảnh nghiêng cự ly Hiện tượng này được gọi là "mở rộng": thứ tự của các thành phần bề mặt trên ảnh ra đa là sự đảo ngược của thứ tự các vật tán xạ trên mặt đất như trong hình 1.6

Cuối cùng, một góc nghiêng từ vùng chiếu xạ của ra đa so với một góc nghiêng lớn hơn góc lõm cảm biến gây ra, gọi là bóng khuất của ra đa, như được chỉ

ra trong hình 1.7, tạo thành méo dạng hình học riêng thứ ba Các vùng bóng khuất

này xuất hiện tương ứng các vùng tối trong hình ảnh SAR, tương ứng một tín hiệu

có mức 0 Trong hình 1.7 phân đoạn giữa các điểm B và C không có sự đóng góp của góc nghiêng do địa hình núi

Hình 1.7 Bóng khuất của ra đa SAR

1.3 Đặc trưng phân cực mục tiêu

Kỹ thuật phân hoạch mục tiêu cho phép xác định các tham số như: tán xạ trực tiếp từ bề mặt, tán xạ tương tác giữa 2 bề mặt khác nhau (tán xạ nhị diện) và quá trình tán xạ từ một khối các vật tán xạ có phân bố ngẫu nhiên PolInSAR là sự kết hợp cả hai kỹ thuật mà còn cung cấp chính xác về phân bố theo chiều cao của vật tán xạ Do đó, kỹ thuật PolInSAR cung cấp một góc nhìn ba chiều về thảm thực vật, các khu vực rừng và khu vực đất nông nghiệp

1.3.1 Thông tin phân cực

Các thông tin phân cực chứa trong các sóng tán xạ ngược từ một môi trường nhất định có thể liên quan đến: phản xạ cấu trúc hình học như hình dạng và góc định hướng hoặc cấu trúc địa vật lý như độ ẩm, độ gồ ghề bề mặt…

Trong ra đa viễn thám, phân cực được chia làm 2 loại:

- Đồng phân cực: VV là phát phân cực đứng, thu phân cực đứng, còn HH là phát phân cực ngang, thu phân cực ngang

- Phân cực chéo: HV là phát phân cực ngang, thu phân cực đứng, còn VH là phát phân cực đứng, thu phân cực ngang

(a) SAR phân cực toàn phần (b) SAR phân cực đơn

Hình 1.8 Các kiểu phân cực trong ra đa viễn thám

Hình 1.9 Máy phát và thu nhận của ra đa viễn thám Bảng 1.2 Chế độ phát và thu các kênh phân cực

sóng tới và trường sóng tán xạ có cùng dạng phân cực Thành phần trên đường chéo phụ là thành phần (kênh) phân cực chéo, nghĩa là liên quan đến trạng thái phân cực thu và phát Số hạng ejkr r là hiệu ứng truyền dẫn cho cả biên độ và pha Quan hệ này được biểu diễn trong biểu thức (1.12) và nó chỉ phù hợp cho các vùng điện trường ở xa, trong đó 1 mặt phẳng sóng được xem như một trường tới và trường phản xạ

Hình 1.10 Sự tương tác của sóng điện từ với nhiều mục tiêu

Để có thể rút ra thông tin vật lý từ ma trận Sinclair kết hợp 2×2 đã thu được thông qua việc xây dựng vector hệ thống, có thể biểu diễn ma trận Sinclair bằng

vector V(.) như sau:

Trong đó, ψ là một ma trận cơ sở 2×2 phức, ma trận này được xây dựng nhờ

một tập các tích nội của các ma trận Hermitan

1.3.2.1 Trường hợp tán xạ từ hệ anten thu phát riêng biệt (bistatic)

Có 1 số tập hợp đặc biệt thường dùng để tạo ra sự kết hợp bistatic phân cực hay ma trận hiệp phương sai dựa vào sự kết hợp tuyến tính từ các ma trận Pauli hay Lexicographic [70]

Đầu tiên là tập cơ sở ma trận xoay Pauli {ΨP}:

Vector đặc trưng Lexicographic – 4D hoặc vector mục tiêu 4-D mô tả sau

k4L S HH SHV SVH SVVT (1.17) Vậy MTTX S được biểu diễn qua các vector mục tiêu tán xạ phân cực như sau:

12

Frobenius (S pan ) của MTTX [S]

Khi đó ta kiểm tra thấy tổng công suất là bất biến, vì vậy:

Mối quan hệ giữa 2 vector mục tiêu phản xạ phân cực:

1.3.2.2 Trường hợp tán xạ từ anten thu phát chung (monostatic)

Với ma trận mục tiêu tương hỗ, yêu cầu với tán xạ ngược monostatic, tính thuận nghịch là bắt buộc với MTTX Sinclair là đối xứng, nghĩa là S HV S VH Tập ma trận xoay Pauli và tương thích với các hệ thống tọa độ BSA (Back scattering alignment) còn gọi là hiệu chỉnh hệ tọa độ tán xạ ngược bởi Cloude đề xuất [66]

1.3.2.3 Đặc trưng phân cực cho mục tiêu

Xét một hệ thống ra đa phân cực tổng quát thực hiện quan sát một mục tiêu nào đó, mục tiêu được biểu diễn thông qua MTTX ngược

Hình 1.11 Cấu hình hệ thống ra đa phân cực

Trong hình 1.11 ˆh T là độ cao hiệu dụng của anten phát, E là sóng tới mục I

tiêu, E là sóng tán xạ từ mục tiêu, ˆ S h là độ cao hiệu dụng của anten thu Độ cao R

hiệu quả của anten ˆ( , )h  là khả năng phát xạ trường điện từ E r( , , )  đi xa:

Trong đó: Z0 là trở kháng đặc tính;  là bước sóng; I là dòng anten

Với số hạng tán xạ ngược đơn tĩnh (monosatic) hay ma trận Sinclair S và độ cao thực chuẩn hóa của anten phát và thu, giá trị điện áp của máy thu V được xác

R T T

Trong đó chỉ số dưới T và R thể hiện trạng thái phân cực phát và thu

Với ma trận Kennaugh thì công suất thu tỷ lệ với:

1

T R

g là vector stock chuẩn hóa cho phân cực thu và phát

Từ (1.31) cho thấy có hai phép đo khác nhau với công suất thu:

* Công suất đồng phân cực: trong trường hợp anten thu và phát có cùng trạng thái phân cực h R h Tta có:

1.3.3 Ma trận kết hợp [T] và ma trận hiệp phương sai [C] phân cực

Mục tiêu tán xạ có thể được phân tích chính xác hơn bằng cách giới thiệu hai khái niệm về quá trình ngẫu nhiên, mang một ý nghĩa về mặt vật lý nhất định, xác định các thông tin về mục tiêu như: hình dạng, cấu trúc, thuộc tính địa vật lý, góc định hướng của mục tiêu, mà cụ thể là ma trận hiệp phương sai hay ma trận kết hợp Từ các

vector mục tiêu được định nghĩa trong Mục 1.3.2, ma trận kết hợp [T] Pauli và ma trận hiệp phương sai [C] Lexicographic được xây dựng dựa trên tích ngoài của vector mục

tiêu với vector chuyển vị kết hợp phức của nó

Trong đó:  *

 là đại lượng liên hiệp phức,  T

 chuyển vị ma trận và biểu thị mức lấy trung bình trong quá trình xử lý dữ liệu

1.3.3.1 Ma trận kết hợp [T] phân cực

Trong trường hợp tán xạ ngược trong một môi trường thuận nghịch từ

phương trình (1.21) có thể biểu diễn ma trận kết hợp [T] như công thức (1.35) [38]:

2 2

1.3.3.2 Ma trận hiệp phương sai [C] phân cực

Một cách phổ biến khác để ước lượng số liệu thống kê thứ hai lợi dụng

vector tán xạ bởi Cloude [66], Lee và Pottier [38], Ulaby và Elachi [26], Van Zyl và

Zebker [35] Bằng cách kết hợp hai phương trình (1.23) và (1.35), có thể biểu diễn

ma trận hiệp phương sai trong môi trường thuận nghịch [38], [70] như sau:

hiệp phương sai [C] đều là những ma trận bán xác định dương thỏa mãn

 

Trace T Trace C và nó sở hữu các giá trị riêng thực không âm và vector riêng trực giao trong [43] Khi xây dựng vector hệ thống cho MTTX, sẽ tồn tại một ma trận chuyển đổi đơn vị có liên quan đến 2 vector mục tiêu, điều đó cho phép đưa ra

mối quan hệ giữa ma trận kết hợp [T] và ma trận hiệp phương sai [C] được trình bày

bởi Lee và Pottier [38]

mô nhỏ như mặt phẳng, hình cầu mỏng và được mô hình hóa như một quá trình tán

xạ từ bề mặt Bragg như chỉ ra trên hình 1.13

Hình 1.13 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ bề mặt

Với cơ chế tán xạ trực tiếp từ bề mặt Bragg bậc một, thì thành phần phân cực

chéo trong ma trận tán xạ được giả định bằng 0 Do vậy, ma trận tán xạ S cho tán xạ

bề mặt được biểu diễn như sau [13], [70]:

R R

Trong đó các tham số  là góc tới cục bộ; r là hằng số điện môi của bề mặt

Do đó, ma trận hiệp phương sai cho MHTX bề mặt được biểu diễn như sau:

Trong đó f S là đóng góp của tán xạ bề mặt cho thành phần S HH 2và β được

định nghĩa như sau:

và tòa nhà

Trong đó, các bề mặt tán xạ có thể được tạo ra từ các vật liệu phi điện khác

nhau Bề mặt đường trục đứng có hệ số phản xạ cho phân cực đứng là R TV và phân

cực ngang là R TH Bề mặt đất ngang có hệ số phản xạ Fresnel R GH và R GV Mô hình

này có thể mô tả tổng quát hơn thông qua hệ số truyền dẫn sóng kết hợp 2j H

e  và

2j V

e  , trong đó hệ số phức H và V biểu diễn cho hiệu ứng thay đổi về pha và độ

suy hao sóng

Hình 1.14 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ nhị diện

Ma trận tán xạ S cho mô hình tán xạ nhị diện:

  2 0 2

0

H

V GH

j TH

0 10

Tán xạ khối là một quá trình khuyếch tán giữa một khối vật thể tán xạ có phân

bố ngẫu nhiên ví dụ như tán cây được chỉ ra trong hình 1.15 Tán xạ khối từ một

vòm cây hoặc một khối các vật tán xạ phân bố ngẫu nhiên được mô hình hóa như

một khối của tán cây như một đám mây hình trụ mỏng định hướng ngẫu nhiên [17]

Hình 1.15 Cấu trúc hình học cơ chế tán xạ khối

Ma trận hiệp phương sai của tán xạ khối được cho bởi :

Tán xạ xoắn ốc là quá trình tán xạ bởi các mục tiêu nhân tạo, thường chủ yếu

ở các khu vực đô thị hoặc từ các mục tiêu có cấu trúc hình học phức tạp [22], [79]

Cơ chế tán xạ xoắn ốc tương ứng với phản xạ không đối xứng như hình 1.16

Sự phân cực tròn trái và phân cực tròn phải thường chiếm ưu thế từ các mục tiêu nhân tạo