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


11

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

PT GT ( , ) AER ( , )


4 rT2
4 rR2

(1.1)

Trong đó PR là công suất nhận được tại máy thu, PT là công suất phát, GT là
độ tăng ích của anten phát, AER là mặt mở thực của anten thu, rT là khoảng cách giữa
anten phát và mục tiêu, rR 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

  4 r 2

ES
2

(1.2)

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 E S bằng tổng cường độ điện trường từ
mỗi thành phần nhỏ E Si . Để nhận được tổng công suất thu tại mục tiêu, nó cần phải
tích hợp trên vùng diện tích phản xạ hiệu dụng A0 với:

PR  
A0

PT GT ( , ) 0 AER ( , )

dS
4 rT2
4 rR2

(1.3)

0
0
Số hạng  là tiết diện ra đa trung bình trên 1 đơn vị diện tích, do vậy 


12

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

0 



A0



4 r
A0

2

ES
2

(1.4)

Ei

 0 là một tham số vô hướng, nó dùng để biểu diễn quá trình tán xạ và bức xạ
của ra đa. Các đặc điểm này phụ thuộc vào tần số đã cho, sự phân cực của sóng tán
xạ và sóng tới, hướng tới ( i , i ) và hướng tán xạ ( S , S ) .
1.2. Sự hình thành ảnh ra đa mặt mở tổng hợp
Hệ thống ảnh SAR được hình thành từ một hệ thống ra đa hoạt động trong
một dải sóng siêu cao tần, dải tần của hệ thống ra đa này nằm từ băng P đến băng
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


13

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  de , trong đó a và
e tương ứng với góc phương vị và độ cao. Giản đồ hướng anten có góc:

  d

(1.5)


14

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 f0(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
R0 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 R0.
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
Hệ thống SAR vệ

Hệ thống SAR

Hệ thống E-SAR

tinh ERS-1

hàng không ORA

hàng không DLR

Bước sóng ()

5.7cm (Băng C)

3.1cm (Băng X)

2.3cm (Băng L)

Phân cực sóng

VV

HH

HH, HV, VV,VH

Băng thông (B)

15.6 MHz

100MHz

100MHz

Độ rộng xung phát (p)

37.1 s

5s

5s

Tần số lặp lại xung (PRF)

1.680 Hz

1.1 Hz

400 Hz

Độ cao anten

780 km

< 14km

< 5km

Thông số kỹ thuật

15

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 f0. 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:

r 

c
2B

(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:

x

r
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