Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỂN HÌNH ỨNG DỤNG<br />
TRONG RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC VÀ GIAO THOA<br />
RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC<br />
<br />
Bùi Ngọc Thủy1*, Phạm Minh Nghĩa3, Lê Vĩnh Hà2, Nguyễn Phương Nam1<br />
<br />
Tóm tắt: Bài báo trình bày một số thuật toán điển hình trong ra đa mặt mở tổng<br />
hợp phân cực (PolSAR) và giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolInSAR),<br />
các phương pháp xử lý tín hiệu ra đa dựa trên ma trận tán xạ mục tiêu, kết quả mô<br />
phỏng, ưu nhược điểm của các thuật toán, xu hướng phát triển và các ứng dụng<br />
của nó.<br />
Từ khóa: Ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực, Độ cao rừng, Tập kết hợp.<br />
<br />
1. MỞ ĐẦU<br />
Khi giải quyết các bài toán về ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa ra<br />
đa mặt mở tổng hợp phân cực, có thể đánh giá mức độ và đặc trưng biến đổi cấu<br />
trúc phân cực của tín hiệu ra đa khi bị tán xạ bởi mục tiêu. Các đặc tính liên quan<br />
đến tham số hình học và điện vật lý có thể được đánh giá trên cơ sở sử dụng các<br />
tham số thông tin của tín hiệu nhận được. Đồng thời, khi tạo ảnh ra đa bằng các<br />
đặc tính trên cho phép nâng cao độ chính xác về nhận dạng và xác định tham số<br />
mục tiêu như cao độ, kích thước, độ ẩm của mục tiêu. Ma trận tán xạ của mục tiêu<br />
là nguồn để khai thác thông tin về mục tiêu cần nghiên cứu trong các bài toán khác<br />
nhau (phát hiện, nhận dạng và phân loại) của ra đa hiện đại. Ngày nay, ra đa mặt<br />
mở tổng hợp phân cực (PolSAR) và giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực<br />
(PolInSAR) trở thành một kỹ thuật hiệu quả để giải thích rõ hơn về cơ chế tán xạ.<br />
PolInSAR là một kỹ thuật viễn thám mới, nó kết hợp giữa lợi thế của phân cực<br />
SAR (Pol SAR) và giao thoa SAR (InSAR). Nó không chỉ có thể cải thiện độ<br />
chính xác của phép đo địa hình, mà còn cung cấp được các thông số vật lý liên<br />
quan đến các cơ chế tán xạ. Đặc biệt, dữ liệu PolInSAR rất có ích trong việc khai<br />
thác các đặc tính mục tiêu tự nhiên và nhân tạo. Do vậy, xác định tham số mục tiêu<br />
sử dụng ảnh giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực đã mở ra một hướng đi mới<br />
cho việc ứng dụng kỹ thuật viễn thám sóng siêu cao tần trong quân sự, quản lý tài<br />
nguyên môi trường, khí tượng thủy văn….<br />
Hướng nghiên cứu này đã và đang phát triển rất mạnh ở các nước như Nga, Hoa<br />
Kỳ, Canada, Pháp, Nhật, Đức, cũng như nhiều nước có nền khoa học công nghệ<br />
tiên tiến khác trên thế giới nhờ các ưu điểm vượt trội của nó.<br />
2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH CỦA POLINSAR<br />
2.1. Ma trận hiệp phương sai PolSAR<br />
Sóng điện từ trường được phát ra từ anten phát của ra đa, và truyền trong môi<br />
trường. Sau khi tán xạ bởi mục tiêu, một phần năng lượng được truyền ngược trở<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016<br />
73<br />
Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br />
<br />
về anten thu. Trong hệ tọa độ phân cực (H, V), mối quan hệ giữa sóng tới và sóng<br />
tán xạ được biễu diễn bằng ma trận tán xạ.<br />
Ma trận tán xạ [1]:<br />
S Shv 1<br />
S Shh <br />
Svv <br />
(1)<br />
k V ([ S ]) Trace([ S ] )<br />
hv 2<br />
Hệ thống SAR phân cực cung cấp các thông tin của mục tiêu thông qua ma trận<br />
tán xạ phức 2x2. Đối với trường hợp tán xạ ngược trong môi trường thuận nghịch,<br />
véc tơ mục tiêu tán xạ ngược được biểu diễn như sau [2]:<br />
T<br />
k L S hh 2 S hv S vv (2)<br />
Trong đó, S hh , S hv và Svv là hệ số tán xạ ngược của các kênh phân cực HH, HV<br />
và VV (theo chiều ngang H và theo chiều đứng V).<br />
Ma trận hiệp phương sai PolSAR được xác định từ tích ngoài của véc tơ tán xạ<br />
ngược và liên hợp phức chuyển vị của nó, và được biểu diễn như sau:<br />
2 * * <br />
Shh 2 Shh Shv Shh Svv<br />
<br />
2<br />
<br />
C kL kL*T 2 Shv Shh*<br />
2 Shv *<br />
2 Shv Svv (3)<br />
<br />
* * 2 <br />
Svv Shh 2 Svv Shv Svv <br />
<br />
Với toán tử biểu thị mức lấy trung bình toàn bộ trong quá trình xử lý dữ liệu và<br />
thể hiện toán tử liên hợp phức.<br />
Kỹ thuật phân tích mục tiêu theo mô hình tán xạ là một trong những công cụ rất<br />
hữu ích và quan trọng trong việc xác định các thông tin về mục tiêu như: hình<br />
dạng, cấu trúc, thuộc tính địa vật lý, góc định hướng của mục tiêu.<br />
2.2. Nguyên lý của PolInSAR<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Nguyên lý cơ bản của SAR giao thoa phân cực.<br />
Người ta sử dụng hai ra-đa phân cực cùng quét một mục tiêu, tại cùng một thời<br />
<br />
<br />
74 B. N. Thủy, … , N. P. Nam, “Nghiên cứu một số thuật toán… phân cực.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
điểm hoặc khác thời điểm cách nhau một khoảng cách nào đó được gọi là đường<br />
cơ sở (B). Do sự sai lệch về đường quét, thời gian quét, nó tạo ra pha giao thoa<br />
phân cực giữa hai ảnh ra-đa phân cực (6) và pha giao thoa này chính là cơ sở quan<br />
trọng để ước lượng được độ cao của mục tiêu.<br />
<br />
ki1 <br />
- Vec tơ tán xạ giao thoa phân cực [1]: k (4)<br />
ki 2 <br />
Với i = P hoặc L<br />
T <br />
- Ma trận hiệp phương sai T k .k *T *1T (5)<br />
T2 <br />
Trong đó, T1 và T2 là các ma trận Hermit, mô tả các thuộc tính phân cực của<br />
mục tiêu thu được từ mỗi hệ thống PolSAR riêng lẻ, là ma trận phức phi-<br />
Hermitian chứa các thông tin về giao thoa và phân cực của mục tiêu.<br />
Sự kết hợp giao thoa phân cực của hệ thống PolInSAR được mô tả bằng một<br />
hàm phân cực của hai ảnh được biểu diễn như sau:<br />
*T *T <br />
2 <br />
1, 2 1<br />
*T ; 1, 2 1 (6)<br />
1*T T1 1 *2T T2 2 T <br />
<br />
Trong đó, 1 2 là véc tơ phức nguyên trị của mỗi kênh phân cực,<br />
<br />
(1 , 2 ) là hệ số kết hợp giao thoa phức của dữ liệu PolInSAR.<br />
<br />
3. MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỂN HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM<br />
3.1. Thuật toán tán xạ ba thành phần Freeman<br />
Kỹ thuật phân hoạch Freeman sử dụng ba thành phần tán xạ để mô tả sự tương tác<br />
giữa các đối tượng với sóng ra đa trong vùng tự nhiên cũng như đô thị. Như vậy, kỹ<br />
thuật phân hoạch Freeman thực hiện phân hoạch ma trận hiệp phương sai PolSAR<br />
thành ba ma trận con tương ứng với tán xạ trực tiếp, tán xạ nhị diện và tán xạ khối [2].<br />
2 0 2 0 3 0 1 <br />
<br />
C f s Cs f d Cd f v Cv f s 0 0 0 fd 0 0 0 f v 0 2 0 (7)<br />
* <br />
0 1 0 1 1 0 3 <br />
<br />
Công suất của ba thành phần tán xạ được xác định như sau:<br />
Ps Pd<br />
<br />
Pv f s 1 <br />
2<br />
f 1 <br />
d<br />
2<br />
8 fv <br />
<br />
(8)<br />
<br />
Trong đó, f s , f d và fv lần lượt là các hệ số phân tích của ba thành phần tán xạ:<br />
trực tiếp, nhị diện và khối. và là các tham số của mô hình tán xạ trực tiếp và<br />
nhị diện. Freeman giả định phản xạ đối xứng và do đó không giải thích hoàn toàn<br />
các cơ chế tán xạ có trong ma trận hiệp phương sai. Ngoài ra, một phương trình<br />
giải trực tiếp các tham số chưa biết f s , f d , f v và luôn không đảm bảo hoàn toàn<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016<br />
75<br />
Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br />
<br />
các kết quả vật lý (công suất các thành phần phải dương). Hơn nữa, từ (7) ta thấy<br />
Cv là hằng số, theo Freeman giả định là thành phần tán xạ khối như nhau đối với<br />
mọi điểm ảnh [3].<br />
Tuy nhiên, sự phân tán ngẫu nhiên rõ ràng vẫn chiếm ưu thế trong các lĩnh vực<br />
có thảm thực vật, và điều chỉnh này sẽ không thay đổi việc giải thích về chất lượng<br />
của sự tán xạ đối với cảnh này một cách đáng kể. Kết quả bất ngờ này cho thấy<br />
rằng phần lớn các điểm ảnh trong vùng thảm thực vật kết thúc với giá trị riêng âm<br />
sau khi đã trừ sự tán xạ từ thảm thực vật theo đề nghị của Freeman và Durden [2].<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Theo tính toán của Freeman và Durden đề xuất.<br />
3.2. Thuật toán ESPRIT<br />
Thuật toán ước lượng tham số tín hiệu thông qua vòng lặp bất biến ESPRIT<br />
(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) có thể<br />
được mở rộng để phân tích dữ liệu SAR như: tổng kết hợp dữ liệu SAR của các cơ<br />
chế tán xạ khác nhau [4].<br />
- Hệ số tán xạ được định nghĩa như sau:<br />
T<br />
R xx k . k H ; k s1T , s2T (9)<br />
- Sau đó phân rã lần một:<br />
8<br />
R xx m Rm (10)<br />
m 1<br />
<br />
- Kết hợp giá trị riêng và vectơ riêng:<br />
Ex <br />
(11)<br />
Es 1 e1 , , d ed <br />
Ey <br />
- Áp dụng phân rã lần hai:<br />
E* <br />
E xy* Exy x* Ex E y E E *T (12)<br />
E y <br />
<br />
<br />
76 B. N. Thủy, … , N. P. Nam, “Nghiên cứu một số thuật toán… phân cực.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
- Sau đó E được phân chia thành ma trận dxd như sau:<br />
E E12 <br />
E 11 (13)<br />
E21 E22 <br />
Khi tính toán ma trận E12, bậc của ma trận E12 là d:<br />
Chúng ta có ma trận như sau:<br />
E12 E221 (14)<br />
- Các giá trị riêng phức của công thức ta có: 1, 2 , d ,<br />
Pha của các tán xạ có m có thể tính như sau: m arg(m ) (15)<br />
Khi pha giao thoa được ước lượng ta có thể tính được độ cao của các tán xạ cục<br />
bộ và các lớp tán cây và mặt đất.<br />
Độ cao rừng được xác định như sau:<br />
v s (16)<br />
h ru n g <br />
kz<br />
Trong đó, các tham số v, s là pha giao thoa của tán xạ khối và tán xạ bề mặt,<br />
kz là hệ số sóng đứng (của L-band).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Lỗi biên độ của các giá trị Hình 4. (a) ESPRIT thông thường,<br />
riêng tách ra bởi thuật toán ESPRIT và (b) ESPRIT sửa lỗi.<br />
pha khác biệt của chúng.<br />
Ban đầu chọn một hàm phân bố xác suất của thân cây và cành cây (hình 3), và<br />
tính toán ma trận hiệp phương sai [Cv]. Sau đó áp dụng mô hình phân rã tán xạ<br />
[Cv] và đánh giá fv. Kế tiếp xử lý loại bỏ tán xạ khối từ ma trận [C] ta được ma trận<br />
còn lại [Cconlai]:<br />
Cv e jv Cv (17)<br />
Cconlai C fv jv <br />
e Cv Cv <br />
Áp dụng phương pháp này, chúng ta không chỉ thu được sự chính xác tương đối<br />
khi ước lượng chiều cao rừng mà còn ước lượng được sự đóng góp năng lượng của<br />
mỗi thành phần tán xạ. Ma trận [Cconlai] sẽ lựa chọn thành phần tán xạ khối phù<br />
hợp nhất để sửa lỗi (hình 4.b). Nếu sai thì lặp lại từ đầu và tìm kết quả phù hợp<br />
nhất để sửa lỗi.<br />
Tóm lại, Kỹ thuật ESPRIT [5] có thể phát hiện các trung tâm tán xạ cục bộ<br />
tương ứng với lớp tán cây và mặt đất trong khu vực rừng nhưng độ chính xác phát<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016<br />
77<br />
Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br />
<br />
hiện của kỹ thuật này sẽ thấp hơn đối với các vùng rừng rậm do thành phần tán xạ<br />
khối mạnh nhất.<br />
3.3. Thuật toán dựa trên nguyên lý tập kết hợp<br />
Đối với trường hợp tán xạ ngược trong môi trường thuận nghịch, véc tơ tán xạ<br />
ngược Pauli của mỗi hệ thống PolSAR được trình bày ở công thức (2, 5, 6).<br />
Trong hai thập kỷ qua, có rất nhiều phương pháp để ước lượng tham số của địa<br />
hình mặt đất, tuy nhiên các phương pháp này đều có chung một nhược điểm đó là<br />
số lượng phép tính quá lớn. Với mục đích giảm độ phức tạp tính toán cũng như<br />
nâng cao độ chính xác đối với ước lượng tham số của địa hình, việc sử dụng<br />
nguyên lý tập kết hợp để ước lượng trực tiếp các tham số của địa hình là phù hợp.<br />
Tập kết hợp PolInSAR có thể hiểu đơn giản là một phép chiếu của sự kết hợp rút<br />
gọn lên mặt phẳng kết hợp phức.<br />
Ma trận kết hợp rút gọn PolInSAR được phân tích thành tổng của ba ma trận<br />
con tương ứng với ba thành phần tán xạ: tán xạ khối, tán xạ nhị diện và tán xạ trực<br />
tiếp từ bề mặt:<br />
f s e js Ts f d e jd Td f v e jv Tv (18)<br />
Trong đó, i , i s , d , v là pha giao thoa của thành phần tán xạ trực tiếp từ bề<br />
mặt, tán xạ nhị diện và tán xạ khối. T s , T d và Tv lần lượt là ma trận kết hợp<br />
của ba thành phần tán xạ tương ứng, được định nghĩa trong [7].<br />
Dạng rút gọn của ma trận kết hợp đối với dữ liệu PolInSAR có dạng như sau [6]:<br />
11 12 0 <br />
<br />
T 1 2<br />
T 1 2<br />
21 22 0 (19)<br />
<br />
0 0 33 <br />
<br />
Gọi w *TT là véc tơ phức nguyên trị cải tiến. Thay w vào (6) ta có:<br />
T<br />
<br />
e j w*T w, w 1 (20)<br />
Ma trận có ba trị riêng lần lượt là 1, 2 và 3 33 , giả sử rằng<br />
arg 1 arg 2 .<br />
Dựa trên tính chất của ma trận kết hợp rút gọn trong (20), ta có một tập kết hợp<br />
đối với dữ liệu PolInSAR như sau:<br />
app w*T w : w*T w 1, w 3 (21)<br />
Phương trình (21) có dạng tương tự dạng cự ly số của ma trận vuông A 3 . Do<br />
vậy, cự ly số của ma trận cũng có thể được xem như vùng của tập kết hợp.<br />
Pha giao thoa tại bề mặt đất được xác định như sau:<br />
0 arg 2 31 L (22)<br />
với L là nghiệm của phương trình bậc 2.<br />
<br />
78 B. N. Thủy, … , N. P. Nam, “Nghiên cứu một số thuật toán… phân cực.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Cuối cùng, độ cao rừng được xác định bằng hiệu giữa pha tán xạ tại tán cây với<br />
pha tại bề mặt đất, như trong (23).<br />
v 0 R sin (23)<br />
hv v 0 <br />
kz 4 B cos <br />
Trong đó, là góc giữa sóng bức xạ và trục đứng, R khoảng cách giữa ra đa và mục<br />
tiêu, là góc lệch giữa đường cơ sở và trục ngang, bước sóng của sóng điện từ.<br />
1<br />
2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(a) (b)<br />
Hình 5. (a) Ảnh Pauli của khu vực rừng khảo sát, (b) Đồ thị so sánh độ cao<br />
rừng của hai thuật toán.<br />
Thuật toán hỗn hợp [6] được đánh giá với dữ liệu mô phỏng có các tham số như<br />
sau: f = 1.3GHz, góc tới 30 độ, độ cao thực của rừng là 18m, mật độ rừng là 360<br />
cây/Ha. Giả định rừng được bố trí trên một địa hình phẳng.<br />
Hiệu quả của thuật toán sử dụng nguyên lý tập kết hợp được đánh giá với dữ<br />
liệu mô phỏng được tạo ra từ phần mềm PolSARProSim [7].<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Bài báo đã trình bày tổng quan về ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa<br />
ra đa mặt mở tổng hợp phân cực có những ưu điểm mà ra đa truyền thống không<br />
thể có được. Nghiên cứu và đưa ra một số thuật toán điển hình nhằm nâng cao độ<br />
chính xác đối với ước lượng độ cao của mục tiêu tự nhiên từ dữ liệu PolSAR và<br />
PolInSAR. Đưa ra một số kết quả mô phỏng của các thuật toán trong việc cải thiện<br />
độ chính xác đối với ước lượng độ cao rừng và pha của địa hình, và còn có thể<br />
khôi phục trực tiếp các tham số khác của rừng như: tính dị hướng, mức độ định<br />
hướng ngẫu nhiên, độ suy hao của sóng trong môi trường.<br />
Nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám trong lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai<br />
thác, sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường ngày càng gia tăng<br />
nhanh chóng không những trong phạm vi quốc gia, mà cả phạm vi quốc tế. Những<br />
kết quả thu được từ công nghệ viễn thám giúp các nhà khoa học và các nhà hoạch<br />
định chính sách, các phương án lựa chọn có tính chiến lược về sử dụng và quản lý<br />
tài nguyên thiên nhiên và môi trường. Vì vậy, kỹ thuật viễn thám đang có những<br />
ưu thế được sử dụng như là một công nghệ hàng đầu hiện nay.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016<br />
79<br />
Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. S.R. Cloude , K.P. Papathanassiou, “Polarimetric SAR Interferometry”, IEEE<br />
Transactions on Geoscience and Remote Sensing., 36(5): 1551-1565, 1998.<br />
[2]. A.Freeman and S.L. Durden. “A three component scattering model for<br />
polarimetric SAR data”. IEEE Transaction on Geoscience and Remote<br />
Sensing, vol.36, no.3, 1998, pp. 963-973.<br />
[3]. M. Arri, J. VanZyl and Y. Kim. “Adaptive model-based decomposition of<br />
polarimetric SAR covariance matrix”. IEEE Transaction on Geoscience and<br />
Remote Sensing, vol. 49, no. 3, 2011, pp. 1104-1113.<br />
[4]. H.Yamada, Y.Yamaguchi, E.Rogriguez, Y.Kim, W.M.Boerner, “Polarimetric<br />
SAR interferometry for forest canopy analysis by using the super-resolution<br />
method”, Proc. Of IEEE International Geoscience and Remote Sensing<br />
Symposium.2001, 1101-1103.<br />
[5]. H. Yamada, Y. Yamaguchi, Y. Kim, E. Rodriguez, W. M. Boener, “Polarimetric<br />
SAR interferometry for forest analysis based on the ESPRIT algorithm”, IEICE<br />
Transaction on Electron, vol E 84-C, no. 12, (2001), 2014, pp. 1917.<br />
[6]. B.N.Thuy, P.M.Nghia., “Nâng cao độ chính xác ước lượng độ cao rừng sử<br />
dụng ảnh ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực băng L”, Tạp chí Nghiên<br />
cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 42, tr. 45-50.<br />
[7]. M.L.Williams. PolSARproSim:, “A coherent, Polarimetric SAR simulation of<br />
Forest for PolSARPro”; http//earth.eo.esa.int/polsarpro, (2006).<br />
ABSTRACT<br />
RESEARCH ON A NUMBER OF TYPICAL ALGORITHMS APPLICATION<br />
FOR THE SYNTHETIC APERTURE RADAR POLARIZATION AND<br />
POLARIZATION INTERFEROMETRY<br />
In this article, some typical algorithms of the synthetic aperture radar<br />
polarization (PolSAR) and polarization interferometry (PolInSAR) methods of radar<br />
signal processing based on the target scattering matrix, simulation results,<br />
advantages and disadvantages of these algorithms, development trends and its<br />
applications are presented.<br />
Keywords: Polarimetric Interferometric Synthectic Aperture Radar, Forest height, Combination set.<br />
<br />
Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016<br />
Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016<br />
Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016<br />
<br />
1<br />
Địa chỉ: Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;<br />
2<br />
Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;<br />
3<br />
Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự.<br />
*<br />
Email: thuybn78@gmail.com.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
80 B. N. Thủy, … , N. P. Nam, “Nghiên cứu một số thuật toán… phân cực.”<br />