Tài liệu 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 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 i 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 ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến tập thể thầy hướng dẫn PGS.TS Lê Vĩnh Hà, Viện Ra đa - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, TS Phạm Minh Nghĩa, Khoa Vô tuyến điện tử - Học viện Kỹ thuật quân sự đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ dẫn khoa học có giá trị giúp tôi hoàn thành luận án này. Sự động viên, khuyến khích, những kiến thức khoa học cũng như chuyên môn mà Thầy chia sẻ trong những năm nghiên cứu sinh đã giúp tôi nâng cao năng lực khoa học, phương pháp nghiên cứu và lòng yêu nghề. 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. iii 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 iv 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 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục các kí hiệu CS, CD, CV, CH 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 và phân cực mục tiêu e Sai số trung bình EI Điện trường sóng tới ES Điện trường sóng tán xạ fS, fD, fV, fH Các hệ số công suất tán xạ tương ứng với các cơ chế tán xạ bề mặt, nhị diện, khối và xoắn ốc hV Chiều cao cây trung bình k Vector mục tiêu kl biểu thị các kênh phân cực (HH, HV, VV, VH) kZ Hệ số sóng đứng PS, PD, PV, PH 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 RH Hệ số phản xạ cho sóng phân cực ngang RV Hệ số phản xạ cho sóng phân cực đứng RMSE Sai số quân phương trung bình S Ma trận tán xạ TS, TD, TV, TH Ma trận kết hợp tương ứng với các cơ chế tán xạ bề mặt, nhị diện, khối và xoắn ốc v Vận tốc truyền sóng  Hệ số tiết diện hiệu dụng ra đa rw  A Bán kính số của ma trận A wq  A  Cự ly số của ma trận A vi  Tập các kết hợp  Tập kết hợp rút gọn 1 , 2 Vector phức nguyên trị của mỗi kênh phân cực  Tham số tán xạ dị hướng  Hệ số tương quan để nhận dạng cơ chế tán xạ chủ đạo  mkl , mkl Hệ số tán xạ ngược đã được chuẩn hóa n klj Nhiễu Gaussian trong kênh phân cực kl  Hệ số giao thoa phức r Hệ số điện môi tương đương của bề mặt  P , L Ma trận cơ sở Pauli và Lexicographic S , D , V Pha của các thành phần tán xạ bề mặt, nhị diện và khối  Góc tới  1,  2 Hệ số kết hợp tuyến tính của phần tử ma trận tán xạ [S1] và [S2] m Các giá trị riêng của   R xx Ma trận tương quan tín hiệu của ma trận [S1] và [S2] 2. Danh mục các chữ viết tắt BĐX Bất đối xứng KTPH Kỹ thuật phân hoạch KVĐT Khu vực đô thị KVTN Khu vực tự nhiên MHTX Mô hình tán xạ NDMT Nhận dạng mục tiêu MTTX Ma trận tán xạ 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 vii 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 viii 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 ix 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 1 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 2 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. 3 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. 4 - 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 5 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. 6 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 Chương 1 sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước, các cơ sở lý thuyết chung nhất về đặc trưng phân cực mục tiêu, ma trận hiệp phương sai và ma trận kết hợp làm cơ sở phân tích các thuật toán, MHTX trong chương 2. 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. 7 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 8 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, 9 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 10 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]. 1.1. Phương trình ra đa Hệ thống ra đa phát sóng điện từ truyền trong môi trường có thể thu được tại một mục tiêu và năng lượng sóng tới bị hấp thụ bởi mục tiêu, phần còn lại sẽ phản xạ trở về như một sóng điện từ mới. Do tương tác với mục tiêu nên tính chất của sóng phản xạ trở về có thể khác so với sóng tới. Từ sự thay đổi này có thể giúp ta 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. Sóng phản xạ E s  r   E0s e jks r Sóng tới ks E i  r   E0i e jki r ks ki Mục tiêu 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