ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 4, с. 103-107
РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ
УДК 551.446
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ*
© 2007 г. М. Ж. Акжолов, А. М. Березко, В. И. Бояринцев, А. М. Горелов, А. К. Леднев,
А. С. Савин, А. С. Шамаев , С. И. Шамаев
Москва, ИПМех РАН; МГТУ им. Н.Э. Баумана; ФГУП "ИТМ и ВТ им. С.А. Лебедева"
Поступила в редакцию 26.12.06 г.
Исследуются возможности современных методов параллельных вычислений при обработке и идентификации радиолокационных изображений морской поверхности. Обосновывается целесообразность их применения для анализа в реальном времени изображений большой площади. Даются оценки массы, габаритов и величины энергопотребления бортового спецпроцессора, необходимого для обработки радиолокационных изображений поверхности моря в соответствии с разработанными авторами и описанными в статье методами.
Введение. В основе радиотомографического метода исследования морской среды лежит синтез традиционной радиолокации и специально разработанных процедур, позволяющих восстанавливать картину в толще жидкости по их проявлениям на поверхности [1-3]. Радиолокатор компьютерного радиотомографического комплекса осуществляет зондирование морской поверхности на нескольких несущих частотах с разрешающей способностью, обеспечивающей высокую точность измерений. Топографический образ того, что происходит под зондируемой морской поверхностью, формируется с помощью компьютерного решения уравнений взаимодействия радиосигналов с пространственным спектром морского волнения и приповерхностными течениями. При этом восстановление подводных гидродинамических возмущений по их поверхностным проявлениям может быть осуществлено на основе решения обратных задач гидродинамики и электродинамики. Исследование таких задач требует не только теоретического подхода, но и проведения целого ряда лабораторных и натурных экспериментов.
В монографии [3] предложена комплексная модель информационного тракта радиотомографического метода, включающая гидродинамические и электродинамические блоки, а также блоки классификации и распознавания подводных явлений. Эта модель формализована в виде специальной логической системы, предназначенной для решения задач распознавания образов, и проверена при натурных испытаниях в различных гидрометеорологических
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект < 04-07-90335).
условиях, в процессе которых выполнено несколько сотен полетов вертолетов и самолетов, оснащенных специальной радиолокационной аппаратурой. Ввиду того, что были получены благоприятные результаты, позволяющие по наблюдениям поверхностного волнения определять характеристики подводных явлений (течений, внутренних волн, вихрей), имеются все основания для использования разработанных технологий измерения и обработки сигналов на радиолокационной станции космического базирования.
В перспективе создание аэрокосмических средств радиотомографии океана дает возможность при помощи всепогодного мониторинга оценивать характеристики стратификации, определять границы течений, исследовать топографию морского дна и фиксировать изменение подводного рельефа (в том числе изменение судоходного фарватера), прогнозировать возникновение катастрофических ситуаций в океане (цунами), уточнять координаты скопления планктона и косяков рыб, отмечать различного рода экологические нарушения на участках протяженностью несколько сотен километров.
1. Некоторые результаты радиотомографии морской среды. К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных о морском волнении, воздействии на поверхность океана ветра и течений, а также об эффектах нелинейного взаимодействия течений и поверхностных волн. К одному из таких эффектов относится так называемая блокировка поверхностного волнения вышедшими из глубины течениями. При наличии океанских течений над неровностями морского дна возникают зоны, в которых амплитуда
Рис. 1.
-s»
Рис. 2.
поверхностного волнения в определенном диапазоне уменьшена. Такие зоны можно обнаруживать с помощью радиолокатора, например, на рис. 1 изображен снимок морской поверхности вблизи речного устья, на рис. 2 - участка морской поверхности и его батиметрическая карта.
Представим упрощенно морскую поверхность в виде синусоидальной волны длиной X. Известно [4], что в случае падения под углом а к вертикали плоской электромагнитной волны длиной I на такую поверхность при выполнении равенства
l/X = 2sin а
(1.1)
часть энергии падающей волны возвращается точно назад (эффект резонансного рассеяния Брэгга-Вульфа). При этом, как показывают расчеты и опыт, сигнал, отраженный точно назад, примерно пропорционален амплитуде И синусоиды, описывающей отражающую поверхность, если величина И
невелика (h/X < 0.1). Таким образом, по интенсивности обратного рассеяния радиоволн можно судить об амплитуде h поверхностных волн, длина которых связана с длиной электромагнитной волны соотношением (1.1).
Конечно, на поверхности моря существует не одна синусоидальная волна, пространственный спектр рельефа поверхности моря весьма широк. Он содержит как короткие (сантиметровые и миллиметровые), так и крупные волны, длина которых достигает сотен метров. Наличие длинноволновых компонент в спектре поверхностного волнения моря ослабляет описанный выше эффект резонансного рассеяния, и реальный результат одного измерения отраженного сигнала уже не будет пропорционален амплитуде интересующей нас поверхностной гармоники. Однако если проделать достаточное количество измерений отраженных сигналов (причем время задержки между измерениями должно быть таким, чтобы поверхностные гармоники успели изменить фазовые соотношения между собой), то среднее значение полученных результатов уже будет примерно пропорционально амплитуде интересующей нас гармоники.
Для не очень крутых углов облучения зависимость усредненного сигнала от амплитуды резонансной гармоники близка к прямой пропорциональности для широкого диапазона амплитуд резонансной гармоники [3]. Данный результат важен для выявления аномалий поверхности, характеризующихся изменением средней амплитуды в коротковолновой части спектра морского волнения, поскольку позволяет определить среднюю амплитуду резонансных гармоник поверхности путем усреднения амплитуды пришедшего сигнала по достаточному количеству облученных поверхностей. Связь между усредненными амплитудами волн и отраженных сигналов была обнаружена эмпирически. Считалось, что зависимость существует только для больших углов падения (80 < а < 90°). Численное моделирование показывает, что зависимость (не обязательно являющаяся прямой пропорциональностью) среднего отраженного сигнала от резонансной гармоники поверхности прослеживается вплоть до угла падения электромагнитной волны а = 30°.
Для обработки радиолокационных кадров целесообразно использовать не только процедуру усреднения, но и процедуру выявления спектральных признаков кадра. Она необходима для анализа измерений (контрастов) спектра поверхности моря в зоне длинных (декаметровых) волн. Для волн такой длины нельзя применять эффекты резонансного рассеяния, поскольку, согласно соотношению Брэг-га-Вульфа, зондирующие электромагнитные волны тоже должны быть длиной порядка десятков
а
метров, а создание подобной аппаратуры представляет собой очень сложную задачу.
Однако если размер элемента разрешения локатора Ь существенно меньше длины крупной волны X, то спектр поверхностного волнения в его длинноволновой части можно исследовать косвенно по рассеянию на коротковолновой ряби, осуществляя спектральный анализ вектора, который состоит из величин интенсивности сигналов обратного рассеяния от участков поверхности Ь1, ..., Ьр, с размерами порядка Ь [3]. Вариации соответствующих спектральных компонент будут свидетельствовать об изменении амплитуд дециметровых волн. После обработки радиолокационного кадра с помощью процедуры усреднения или после спектральной обработки выявляются зоны аномалий спектра в различных диапазонах.
Далее, на основе обработки радиолокационного кадра с помощью процедуры усреднения и с помощью спектральной обработки можно осуществить классификацию кадров (по типу содержащихся в них аномалий). Для этого сначала формируется набор (вектор признаков) числовых характеристик П1, ..., Пп, соответствующих каждому кадру и отражающих геометрические особенности аномалий в кадре (размеры пятен, расстояние до ближайшего соседа, количество пятен в кадре и пр.). Затем проводится классификация кадров на основе попадания векторов П = (П1, ..., Пп) в определенную область в пространстве признаков. Эти области, по которым можно осуществить классификацию аномальных зон на поверхности, формируются заранее либо по экспериментальным данным, либо по результатам математического моделирования взаимодействия поверхностного волнения с приповерхностными течениями. Если заранее неизвестно, какая именно группа признаков выделяет аномальные кадры, но имеется дополнительная информация (например, что их число невелико или они расположены компактной группой), тогда с помощью перебора признаков выбираются именно те группы признаков, которые удовлетворяют упомянутым дополнительным условиям. Такой подход к классификации кадров можно назвать адаптивным. Он, безусловно, должен найти применение в рассматриваемых задачах, поскольку в реальных ситуациях далеко не всегда заранее известно, какая именно группа признаков (и в какой логической комбинации) выделяет аномальные кадры. Однако следует отметить, что такой адаптивный подход требует высокого быстродействия используемых вычислительных комплексов.
2. Идентификация радиолокационных кадров поверхности океана. Переход к космическому базированию радиолокационной аппаратуры сделает
возможным определение аномальных зон (т.е. зон, где изменен спектр дециметровых и декаметровых волн) с помощью отработанной ранее процедуры зондирования морской поверхности радиотомографическим методом. Радиолокационные средства космического базирования позволяют получ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.