Nghiên cứu khoa học công nghệ

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỂN HÌNH ỨNG DỤNG
TRONG RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC VÀ GIAO THOA
RA ĐA MẶT MỞ TỔNG HỢP PHÂN CỰC
Bùi Ngọc Thủy1*, Phạm Minh Nghĩa3, Lê Vĩnh Hà2, Nguyễn Phương Nam1
Tóm tắt: Bài báo trình bày một số thuật toán điển hình trong ra đa mặt mở tổng
hợp phân cực (PolSAR) và giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực (PolInSAR),
các phương pháp xử lý tín hiệu ra đa dựa trên ma trận tán xạ mục tiêu, kết quả mô
phỏng, ưu nhược điểm của các thuật toán, xu hướng phát triển và các ứng dụng
của nó.
Từ khóa: Ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực, Độ cao rừng, Tập kết hợp.

1. MỞ ĐẦU
Khi giải quyết các bài toán về ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa ra
đa mặt mở tổng hợp phân cực, có thể đánh giá mức độ và đặc trưng biến đổi cấu
trúc phân cực của tín hiệu ra đa khi bị tán xạ bởi mục tiêu. Các đặc tính liên quan
đến tham số hình học và điện vật lý có thể được đánh giá trên cơ sở sử dụng các
tham số thông tin của tín hiệu nhận được. Đồng thời, khi tạo ảnh ra đa bằng các
đặc tính trên cho phép nâng cao độ chính xác về nhận dạng và xác định tham số
mục tiêu như cao độ, kích thước, độ ẩm của mục tiêu. Ma trận tán xạ của mục tiêu
là nguồn để khai thác thông tin về mục tiêu cần nghiên cứu trong các bài toán khác
nhau (phát hiện, nhận dạng và phân loại) của ra đa hiện đại. Ngày nay, ra đa mặt
mở tổng hợp phân cực (PolSAR) và giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực
(PolInSAR) trở thành một kỹ thuật hiệu quả để giải thích rõ hơn về cơ chế tán xạ.
PolInSAR là một kỹ thuật viễn thám mới, nó kết hợp giữa lợi thế của phân cực
SAR (Pol SAR) và giao thoa SAR (InSAR). Nó không chỉ có thể cải thiện độ
chính xác của phép đo địa hình, mà còn cung cấp được các thông số vật lý liên
quan đến các cơ chế tán xạ. Đặc biệt, dữ liệu PolInSAR rất có ích trong việc khai
thác các đặc tính mục tiêu tự nhiên và nhân tạo. Do vậy, xác định tham số mục tiêu
sử dụng ảnh giao thoa ra đa mặt mở tổng hợp phân cực đã mở ra một hướng đi mới

2

(1)
 hv
Hệ thống SAR phân cực cung cấp các thông tin của mục tiêu thông qua ma trận
tán xạ phức 2x2. Đối với trường hợp tán xạ ngược trong môi trường thuận nghịch,
véc tơ mục tiêu tán xạ ngược được biểu diễn như sau [2]:

T
(2)
k L   S hh
2 S hv S vv 
Trong đó, S hh , S hv và Svv là hệ số tán xạ ngược của các kênh phân cực HH, HV
và VV (theo chiều ngang H và theo chiều đứng V).
Ma trận hiệp phương sai PolSAR được xác định từ tích ngoài của véc tơ tán xạ
ngược và liên hợp phức chuyển vị của nó, và được biểu diễn như sau:
2

Shh


 
*
C   kL kL*T   2 Shv Shh


*
 Svv Shh

*

dạng, cấu trúc, thuộc tính địa vật lý, góc định hướng của mục tiêu.
2.2. Nguyên lý của PolInSAR

Hình 1. Nguyên lý cơ bản của SAR giao thoa phân cực.
Người ta sử dụng hai ra-đa phân cực cùng quét một mục tiêu, tại cùng một thời
74

B. N. Thủy, … , N. P. Nam, “Nghiên cứu một số thuật toán… phân cực.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

điểm hoặc khác thời điểm cách nhau một khoảng cách nào đó được gọi là đường
cơ sở (B). Do sự sai lệch về đường quét, thời gian quét, nó tạo ra pha giao thoa
phân cực giữa hai ảnh ra-đa phân cực (6) và pha giao thoa này chính là cơ sở quan
trọng để ước lượng được độ cao của mục tiêu.

  ki1 
- Vec tơ tán xạ giao thoa phân cực [1]: k    
(4)
 ki 2 
Với i = P hoặc L

 
T
- Ma trận hiệp phương sai T   k .k *T   *1T
(5)
T2 

Trong đó,  T1  và T2  là các ma trận Hermit, mô tả các thuộc tính phân cực của


 (1 , 2 ) là hệ số kết hợp giao thoa phức của dữ liệu PolInSAR.

3. MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỂN HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1. Thuật toán tán xạ ba thành phần Freeman
Kỹ thuật phân hoạch Freeman sử dụng ba thành phần tán xạ để mô tả sự tương tác
giữa các đối tượng với sóng ra đa trong vùng tự nhiên cũng như đô thị. Như vậy, kỹ
thuật phân hoạch Freeman thực hiện phân hoạch ma trận hiệp phương sai PolSAR
thành ba ma trận con tương ứng với tán xạ trực tiếp, tán xạ nhị diện và tán xạ khối [2].

C 

 2

 f s Cs   f d Cd   f v Cv   f s  0
 *
 

 2
0 


0 0   fd  0

 
0 1 
 

0 
3 0 1 

trực tiếp, nhị diện và khối.  và  là các tham số của mô hình tán xạ trực tiếp và
nhị diện. Freeman giả định phản xạ đối xứng và do đó không giải thích hoàn toàn
các cơ chế tán xạ có trong ma trận hiệp phương sai. Ngoài ra, một phương trình
giải trực tiếp các tham số chưa biết f s , f d , f v  và  luôn không đảm bảo hoàn toàn

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016

75


Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa

các kết quả vật lý (công suất các thành phần phải dương). Hơn nữa, từ (7) ta thấy
Cv  là hằng số, theo Freeman giả định là thành phần tán xạ khối như nhau đối với
mọi điểm ảnh [3].
Tuy nhiên, sự phân tán ngẫu nhiên rõ ràng vẫn chiếm ưu thế trong các lĩnh vực
có thảm thực vật, và điều chỉnh này sẽ không thay đổi việc giải thích về chất lượng
của sự tán xạ đối với cảnh này một cách đáng kể. Kết quả bất ngờ này cho thấy
rằng phần lớn các điểm ảnh trong vùng thảm thực vật kết thúc với giá trị riêng âm
sau khi đã trừ sự tán xạ từ thảm thực vật theo đề nghị của Freeman và Durden [2].

Hình 2. Theo tính toán của Freeman và Durden đề xuất.
3.2. Thuật toán ESPRIT
Thuật toán ước lượng tham số tín hiệu thông qua vòng lặp bất biến ESPRIT
(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) có thể
được mở rộng để phân tích dữ liệu SAR như: tổng kết hợp dữ liệu SAR của các cơ
chế tán xạ khác nhau [4].
- Hệ số tán xạ được định nghĩa như sau:

 R xx 

(11)

- Áp dụng phân rã lần hai:
 E* 
E xy* Exy   x*   Ex E y   E  E *T
 E y 

76

(12)

B. N. Thủy, … , N. P. Nam, “Nghiên cứu một số thuật toán… phân cực.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

- Sau đó E được phân chia thành ma trận dxd như sau:
E12 
E
E   11

 E21 E22 
Khi tính toán ma trận E12, bậc của ma trận E12 là d:
Chúng ta có ma trận  như sau:
   E12 E221

(13)

(14)


 Cv
jv
e Cv

Cconlai   C   fv 

e  jv Cv 

Cv 

(17)

Áp dụng phương pháp này, chúng ta không chỉ thu được sự chính xác tương đối
khi ước lượng chiều cao rừng mà còn ước lượng được sự đóng góp năng lượng của
mỗi thành phần tán xạ. Ma trận [Cconlai] sẽ lựa chọn thành phần tán xạ khối phù
hợp nhất để sửa lỗi (hình 4.b). Nếu sai thì lặp lại từ đầu và tìm kết quả phù hợp
nhất để sửa lỗi.
Tóm lại, Kỹ thuật ESPRIT [5] có thể phát hiện các trung tâm tán xạ cục bộ
tương ứng với lớp tán cây và mặt đất trong khu vực rừng nhưng độ chính xác phát

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016

77


Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa

hiện của kỹ thuật này sẽ thấp hơn đối với các vùng rừng rậm do thành phần tán xạ
khối mạnh nhất.
3.3. Thuật toán dựa trên nguyên lý tập kết hợp

  21

 0

 12
 22
0

0 

0 

 33 

(19)



Gọi w   *TT   là véc tơ phức nguyên trị cải tiến. Thay w vào (6) ta có:



T









v  0
kz

  v   0 


R sin 
4 B cos    

(23)

Trong đó,  là góc giữa sóng bức xạ và trục đứng, R khoảng cách giữa ra đa và mục
tiêu,  là góc lệch giữa đường cơ sở và trục ngang,  bước sóng của sóng điện từ.
1

2

(a)

(b)
Hình 5. (a) Ảnh Pauli của khu vực rừng khảo sát, (b) Đồ thị so sánh độ cao
rừng của hai thuật toán.
Thuật toán hỗn hợp [6] được đánh giá với dữ liệu mô phỏng có các tham số như
sau: f = 1.3GHz, góc tới 30 độ, độ cao thực của rừng là 18m, mật độ rừng là 360
cây/Ha. Giả định rừng được bố trí trên một địa hình phẳng.
Hiệu quả của thuật toán sử dụng nguyên lý tập kết hợp được đánh giá với dữ
liệu mô phỏng được tạo ra từ phần mềm PolSARProSim [7].
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày tổng quan về ra đa mặt mở tổng hợp phân cực và giao thoa

Remote Sensing, vol. 49, no. 3, 2011, pp. 1104-1113.
[4]. H.Yamada, Y.Yamaguchi, E.Rogriguez, Y.Kim, W.M.Boerner, “Polarimetric
SAR interferometry for forest canopy analysis by using the super-resolution
method”, Proc. Of IEEE International Geoscience and Remote Sensing
Symposium.2001, 1101-1103.
[5]. H. Yamada, Y. Yamaguchi, Y. Kim, E. Rodriguez, W. M. Boener, “Polarimetric
SAR interferometry for forest analysis based on the ESPRIT algorithm”, IEICE
Transaction on Electron, vol E 84-C, no. 12, (2001), 2014, pp. 1917.
[6]. B.N.Thuy, P.M.Nghia., “Nâng cao độ chính xác ước lượng độ cao rừng sử
dụng ảnh ra đa tổng hợp mặt mở giao thoa phân cực băng L”, Tạp chí Nghiên
cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 42, tr. 45-50.
[7]. M.L.Williams. PolSARproSim:, “A coherent, Polarimetric SAR simulation of
Forest for PolSARPro”; http//earth.eo.esa.int/polsarpro, (2006).
ABSTRACT
RESEARCH ON A NUMBER OF TYPICAL ALGORITHMS APPLICATION
FOR THE SYNTHETIC APERTURE RADAR POLARIZATION AND
POLARIZATION INTERFEROMETRY
In this article, some typical algorithms of the synthetic aperture radar
polarization (PolSAR) and polarization interferometry (PolInSAR) methods of radar
signal processing based on the target scattering matrix, simulation results,
advantages and disadvantages of these algorithms, development trends and its
applications are presented.
Keywords: Polarimetric Interferometric Synthectic Aperture Radar, Forest height, Combination set.

Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016
Hoàn thiện ngày 26 tháng 07 năm 2016
Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 08 năm 2016
Địa chỉ:

1