radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-3-6-21radioelectronics-518Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGАнализ способов комплексирования изображений, формируемых многодиапазонными радиолокационными станциями с синтезированной апертуройMethods for Complexing Images Formed by Multi-Band Synthetic Aperture RadarsПотаповА. А.PotapovA. A.

Потапов Александр Алексеевич – доктор физико-математических наук (1994), главный научный сотрудник Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук (2002), академик Российской академии естественных наук (2007), академик Академии инженерных наук им. А. М. Прохорова (2008), почетный профессор Евразийского национального университета (Астана, Казахстан, 2010), почетный профессор Джинанского университета (Гуанджоу, Китай, 2011), президент совместной китайско-российской лаборатории информационных технологий и фрактальной обработки сигналов (2012), член Нижегородского математического общества (2017). Автор более 1150 научных работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе двух патентов и 45 монографий и глав в книгах на русском и английском языках. Сфера научных интересов – статистическая радиофизика, рассеяние и дифракция электромагнитных волн, радиолокация, обработка и распознавание изображений и сигналов, детерминированный хаос, современная топология, фрактальный анализ, дробные операторы, эффекты скейлинга, фрактальные антенны, фрактальная электродинамика, фотоника, метаматериалы и метаповерхности.

ул. Моховая, д. 11, корп. 7, Москва, 125009

Alexander A. Potapov, Dr. Sci. (Phys.-Math.) (1994), Chief Research of V. A. Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences (2002), Academician of Russian Academy of Natural Sciences (2007, Russia), Academician of the Academy of engineering science of A. M. Prokhorov (2008, Russia), Honorary Professor of the Eurasian National University (Kazakhstan, Astana, 2010), Honorary Professor of the University of Jinan (China, Guangzhou, 2011). President of the Sino-Russian Laboratory of Informational Technologies and Signals Fractal Processing (2012), member of the Nizhny Novgorod Mathematical Society (2017). Author of over 1150 scientific publications in domestic and foreign publications, including two patents and 45 monographs and chapters in books in Russian and English. Area of expertise: statistical radio physics, scattering and diffraction of electromagnetic waves, radar, image and signal processing and recognition, deterministic chaos, modern topology, fractal analysis, fractional operators, scaling effects, fractal antennas, fractal electrodynamics, photonics, metamaterials and metasurfaces.

11-7 Mokhovaya St., Moscow, 125009

potapov@cplire.ruКузнецовВ. А.KuznetsovV. A.

Кузнецов Виктор Андреевич – кандидат технических наук (2012), доцент кафедры эксплуатации бортового авиационного радиоэлектронного оборудования (2019). Автор более 140 научных работ. Сфера научных интересов – системный анализ, распознавание образов, радиолокация, теория фракталов.

ул. Старых Большевиков, д. 54А, Воронеж, 394064

Viktor A. Kuznetsov, Cand. Sci. (Eng.) (2012), Assistant professor (2019). Author of over 140 scientific publications. Area of expertise: systems analysis, pattern recognition, radar, fractal theory.

54A Starykh Bolshevikov St., Voronezh, 394064

kuzzviktor@mail.ruАликуловЕ. А.AlikulovE. A.

Аликулов Елбек Абдукаимович – адъюнкт кафедры эксплуатации бортового авиационного радиоэлектронного оборудования (2019). Автор более 10 научных работ. Сфера научных интересов – радиолокация, фрактальное комплексирование.

ул. Старых Большевиков, д. 54А, Воронеж, 394064

Elbek A. Alikulov, postgraduate (2019). Author of over 10 scientific publications. Area of expertise: radar, fractal radar image fusion.

54A Starykh Bolshevikov St., Voronezh, 394064

adunkt83@bk.ruИнститут радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАНРоссияV. A. Kotelnikov Institute of Radio Engineering and ElectronicsRussian FederationВУНЦ ВВС "Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина"РоссияMERC AF "Air Force Academy named after professor N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin"Russian Federation202121062021243621Copyright © Потапов А.А., Кузнецов В.А., Аликулов Е.А., 20212021Потапов А.А., Кузнецов В.А., Аликулов Е.А.Potapov A.A., Kuznetsov V.A., Alikulov E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/518

Введение. Особое место среди систем дистанционного зондирования Земли космического и авиационного базирования занимают радиолокационные станции с синтезированной апертурой. Современный уровень развития таких систем обусловливает возможность проведения радиолокационной съемки одновременно в нескольких частотных диапазонах, при этом возникает необходимость комплексирования изображений, сформированных в каждом из частотных каналов. Задача такого класса до сих пор не решена в полном объеме вследствие специфических особенностей радиолокационных изображений. Цель работы. Обзор принципов формирования и анализ способов совместной обработки изображений, полученных с помощью многодиапазонных радиолокационных станций с синтезированием апертуры космического и воздушного базирования.Методы. Для достижения поставленной цели используется методология системного анализа, составными этапами которого являются декомпозиция, анализ и синтез. Так, декомпозиция задачи комплексирования многодиапазонных радиолокационных изображений выполнена по критерию влияния различных факторов на характеристики радиолокационных изображений в разных частотных диапазонах. К таким факторам относят: принципы формирования радиолокационных изображений, особенности радиолокационных изображений многодиапазонных радиолокационных станций с синтезированной апертурой с реальными характеристиками и уровни комплексирования.Результаты. Результату обзора и анализа выявленных факторов, согласно классическому системному подходу, сопутствуют соответствующие выводы по недостаткам каждого элемента декомпозиции и синтез предложения по достижению цели. Показано, что совместная обработка многодиапазонных радиолокационных изображений может проводиться на уровнях сигналов, пикселей, признаков и решений, а также их совокупностей. Каждый из рассмотренных подходов характеризуется своими недостатками, не позволяющими реализовать в полной мере комплексирование многодиапазонных радиолокационных изображений без потерь информации, что обусловлено отсутствием информационной избыточности радиолокационных изображений в отличие, например, от оптических.Заключение. Результатом работы являются предложения по реализации способа и синтезу системы комплексирования радиолокационных изображений на основе текстурно-фрактального подхода. Предложены направления дальнейшей работы в данной предметной области по удовлетворению всех требований к полноте, достоверности и информативности дистанционного зондирования Земли.

Introduction. Synthetic aperture radars (SAR) are important components of aviation-based systems for remote sensing of the Earth. The current level of such systems allows simultaneous radar surveys in several frequency ranges. Such surveys require complexing of the images formed in each of the frequency channels, which task is yet to be resolved.Aim. To review the formation principles and methods for joint processing of images using space and aviation-based multi-band synthetic aperture radar systems.Materials and methods. The methodology of systems analysis, involving the integral stages of decomposition, analysis and synthesis, was used. Decomposition of integrating multi-band radar images was performed considering the effect of various factors on the characteristics of radar images in different frequency ranges. Such factors include the principles of radar imaging, issues of radar images of multi-band synthetic aperture radars with real characteristics, and complexing levels.Results. According to the classical systems approach, the results of review and analysis are corresponded by appropriate conclusions on the shortcomings of each decomposition element and the synthesis of a proposal for achieving the goal. It was shown that joint processing of multi-band radar images can be carried out at the levels of signals, pixels, features and solutions, as well as their aggregates. Each approach is characterised by its shortcomings, which impede implementation of full integration of multi-band radar images without loss of information, which is due to the absence of information redundancy of radar images, compared to, e.g., optical images.Conclusion. Recommendations on the application of a particular method and the synthesis of a system for radar complexing images based on the texture-fractal approach were formulated. Directions for further work meeting all the requirements for completeness, reliability and information content of remote sensing of the Earth were outlined.

системный анализрадиолокатор с синтезированной апертуроймногодиапазонное радиолокационное изображениекомплексированиефрактальная парадигмаsystems analysissynthetic aperture radarmulti-band radar imagecomplexingfractal paradigmReferencesЛихачев В. П., Купряшкин И. Ф., Рязанцев Л. Б. Малогабаритные многофункциональные РЛС с непрерывным частотно-модулированным излучением. М.: Радиотехника, 2020. 279 с.Lihachev V. P., Kuprjashkin I. F., Rjazancev L. B. Malogabaritnye mnogofunkcional'nye RLS s nepreryvnym chastotno-modulirovannym izlucheniem [Smallsized multifunctional radar with continuous frequencymodulated radiation]. M., Radiotehnika, 2020. 279 p. (In Russ.)Cheney M., Borden B. Synthetic Aperture Radar Imaging // In: Scherzer O. (eds) Handbook of Mathematical Methods in Imaging. New York: Springer, 2015. P. 763-799. doi: 10.1007/978-1-4939-0790-8_49Cheney M., Borden B. Synthetic Aperture Radar Imaging. In Scherzer O. (eds) Handbook of Mathematical Methods in Imaging. New York, Springer, 2015. doi: 10.1007/978-1-4939-0790-8_49Soumekh M. Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MatLab Algorithms. New York: Wiley, 1999, 648 p.Soumekh M. Synthetic Aperture Radar Signal Processing with MATLAB Algorithms. New York, Wiley, 1999, 648 p.Внотченко С. Л., Достовалов М. Ю. Авиационные мобильные малогабаритные радиолокаторы с синтезированной апертурой семейства «Компакт» (принципы реализации и опыт применения) // Журн. радиоэлектроники. 2009. № 10. URL: http://jre.cplire.ru/jre/oct09/5/text.html (дата обращения 27.04.2021)Vnotchenko S. L., Dostovalov M. Ju. Aviation mobile small-size synthetic aperture radars of the "Compact" family (implementation principles and application experience). Zhurnal radiojelektroniki [Journal of radio electronics]. 2009, vol. 10. Available at: http://jre.cplire.ru/jre/oct09/5/text.html (accessed 27.04.2021) (In Russ.)Гурьянов М. А. Преобразование динамического диапазона радиолокационных изображений для различных снимаемых поверхностей // Журн. радиоэлектроники. 2014. № 12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec14/9/text.html (дата обращения 27.04.2021)Gur'janov M. A. Conversion of the dynamic range of radar images for various surveyed surfaces. Zhurnal radiojelektroniki [Journal of radio electronics]. 2014, vol. 12. Available at: http://jre.cplire.ru/jre/dec14/9/text.html (accessed 27.04.2021) (In Russ.)Кузнецов В. А., Лихачев В. П., Унковский А. В. Алгоритм совмещения радиолокационных изображений по энтропии радиолокационных природных и антропогенных объектов в интересах двухпроходной интерферометрической радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны // Радиотехника. 2021. Т. 85, № 1. С. 104–111. doi: 10.18127/j00338486-202101-14Kuznetsov V. A., Lihachev V. P., Unkovskij A. V. Matching radar images by the entropy of radar shadows of objects in the interests of two-pass interferometric survey. Radiotehnika [Journal Radioengineering]. 2021, vol. 85, no. 1, pp. 104–111. doi: 10.18127/j00338486-202101-14 (In Russ.)Пат. RU 2372627 C1 G01S 13/89 (2008.03). Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта в большом диапазоне изменения величин эффективных площадей рассеивания локальных центров при многочастотном импульсном зондировании / А. М. Блинковский, С. В. Крюков. Опубл. 24.03.2009. Бюл. № 31.Blinkovskij A. M., Krjukov S. V. Sposob poluchenija dvumernogo radiolokacionnogo izobrazhenija ob#ekta v bol'shom diapazone izmenenija velichin jeffektivnyh ploshhadej rasseivanija lokal'nyh centrov pri mnogochastotnom impul'snom zondirovanii [Method of obtaining two-dimensional radar image of object in wide range of Variation of values of effective scattering area of local centres during multifrequency pulsed probing]. Pat. RF 2372627. Publ. 24.03.2009. Bul. 31. (In Russ.)Пат. RU 2520424 C2 G06T 5/40 (2012.07). Способ комплексирования цифровых многоспектральных изображений земной поверхности / О. Р. Никитин, А. Н. Кисляков, А. А. Шулятьев. Опубл. 27.06.2014. Бюл. № 18.Nikitin O. R., Kisljakov A. N., Shuljat'ev A. A. Sposob kompleksirovanija cifrovyh mnogospektral'nyh izobrazhenij zemnoj poverhnosti [Method for complexion digital multispectral images of earth's surface]. Pat. RF 2520424. Publ. 27.06.2014. Bul. 18. (In Russ.)Пат. RU 2540778 C1 G06T 5/50 (2013.10). Способ комплексирования цифровых полутоновых изображений / В. Н. Тикменов, С. В. Купцов, В. В. Лаптепа, И. А. Козлитин. Опубл. 10.02.2015. Бюл. № 4.Tikmenov V. N., Kupcov S. V., Laptepa V. V., Kozlitin I. A. Sposob kompleksirovanija cifrovyh polutonovyh izobrazhenij [Method for integrating digital half-tone images]. Pat. 2540778. Publ. 10.02.2015. Bul. 4. (In Russ.)Пат. RU 2692575 C1 G06T 5/50 (2018.01). Способ комплексирования цифровых полутоновых изображений / В. В. Шипко. Опубл. 25.06.2019. Бюл. № 18.Shipko V. V. Sposob kompleksirovanija cifrovyh polutonovyh izobrazhenij [Method of integrating digital halftone images]. Pat. RF 2692575. Publ. 25.06.2019. Bul. 18. (In Russ.)Пат. RU 2342701 C2 G06K 9/40 (2007.08). Способ комплексирования цифровых многоспектральных полутоновых изображений / Е. И. Травина, И. Н. Фадеев. Опубл. 27.12.2008. Бюл. № 36.Travina E. I., Fadeev I. N. Sposob kompleksirovanija cifrovyh mnogospektral'nyh polutonovyh izobrazhenij [Method of complexing digital multispectral half-tone images]. Pat. RF 2342701. Publ. 27.12.2008. Bul. 36. (In Russ.)Karhe R. R., Chandratre Y. V. RADAR Image Fusion Using Wavelet Transform // International J. of Advanced Engineering, Management and Science (IJAEMS). 2016. Vol. 2, iss. 3. Р. 4–13.Karhe1 R. R., Chandratre Y. V. RADAR Image Fusion Using Wavelet Transform. International Journal of Advanced Engineering, Management and Science (IJAEMS). 2016, vol. 2, no. 3, pp. 4–13.Simone G., Morabito F. C., Farina A. Multifrequency and Multiresolution Fusion of SAR Images for Remote Sensing Applications // Proc. of 4 th International Conf. on Information Fusion, 2001. Р. 1321–1327.Simone G., Morabito F.C., Farina A. Multifrequency and Multiresolution Fusion of SAR Images for Remote Sensing Applications. Proc. of 4 th International Conf. on Information Fusion. 2001, pp. 1321–1327.Multisensor Data Fusion. From Algorithms and Architectural Design to Applications / Ed. by H. Fourati, K. Iniewski. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2016. 663 p. doi: 10.1201/b18851Multisensor Data Fusion. From Algorithms and Architectural Design to Applications. Ed. by H. Fourati, K. Iniewski. Taylor & Francis Group, 2016, 663 p. doi: 10.1201/b18851Мандельброт Б. Б. Фрактальная геометрия природы: пер. с англ. А. Р. Логунова / Ин-т компьютерных исследований. М., 2002. 656 с.Mandel'brot B. B. Fraktal'naja geometrija prirody [Fractal geometry of nature]. M., Institut komp'juternyh issledovanij, 2002, 656 p. (In Russ.)Потапов А. А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология выборки. М.: Университетская кн., 2005. 848 с.Potapov A. A. Fraktaly v radiofizike i radiolokacii: Topologija vyborki [Fractals in Radiophysics and Radar: Sample Topology]. M., Universitetskaja kniga, 2005, 847 p. (In Russ.)Potapov A. A., Hao W., Shan X. Fractality of Wave Fields and Processes in Radar and Control. Guangzhou: South China University of Technology Press, 2020. 280 p.Potapov A. A., Hao W., Shan X. Fractality of Wave Fields and Processes in Radar and Control. Guangzhou, South China University of Technology Press, 2020, 280 p.Гуляев Ю. В., Потапов А. А. Применение теории фракталов, дробных операторов, текстур, эффектов скейлинга и методов нелинейной динамики в синтезе новых информационных технологий для задач радиоэлектроники (в частности, радиолокации) // Радиотехника и электроника. 2019. Т. 64, № 9. С. 839–854.Guljaev Ju. V., Potapov A. A. Application of fractal theory, fractional operators, textures, scaling effects, and nonlinear dynamics methods in the synthesis of new information technologies in radio electronics (specifically, radiolocation). Radiotehnika i jelektronika [Journal of Communications Technology and Electronics]. 2019, vol. 64, no. 9, pp. 839–854. (In Russ.)Кузнецов В. А. Структура и свойства наземных объектов на изображениях РСА в задачах распознавания // Телекоммуникации. 2012. № 10. С. 31–38.Kuznetsov V. A. Structure and properties of ground objects on SAR images in recognition problems. Telekommunikacii [Telecommunications]. 2012, vol. 10, pp. 31–38. (In Russ.)Кузнецов В. А., Потоцкий А. Н. Метод измерения направленной морфологической мультифрактальной сигнатуры текстуры изображений // Успехи современной радиоэлектроники. 2017. № 3. С. 39–52.Kuznetsov V. A., Pototskii A. N. Method of measuring directional morphological multifractal signatures of the texture images. Uspehi sovremennoj radiojelektroniki [Telecommunications and Radio Engineering]. 2017, vol. 3, pp. 39–52. (In Russ.)Потапов А. А., Кузнецов В. А., Потоцкий А. Н. Новый класс топологических текстурно-мультифрактальных признаков и их применение для обработки радиолокационных и оптических малоконтрастных изображений // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66, № 5. С. 457–467. doi: 10.31857/S0033849421050107Potapov A. A., Kuznetsov V. A., Pototskii A. N. New Class of Topological Textural Multifractal Descriptors and Their Application for Processing Low-Contrast Radar and Optical Images. Journal of Communications Technology and Electronics. 2021, vol. 66, no. 5, pp. 581–590. doi: 10.1134/S1064226921050090Пат. RU 2746038 C1 G06T 5/50 (2020.09). Способ фрактального комплексирования цифровых полутоновых изображений / А. А. Потапов, В. А. Кузнецов, Е. А. Аликулов. Опубл. 06.04.2021. Бюл. № 10.Potapov A. A., Kuznetsov V. A., Alikulov E. A. Sposob fraktal'nogo kompleksirovanija cifrovyh polutonovyh izobrazhenij [Method for fractal complexing of multifrequency radar images]. Pat. RF 2746038. Publ. 06.04.2021. Bul.10. (In Russ.)Xia Y., Feng D., Zhao R. Morphology-Based Multifractal Estimation for Texture Segmentation // IEEE Transactions on Image Processing. 2006. Vol. 15, iss. 3. Р. 614–623. doi: 10.1109/TIP.2005.863029Xia Y., Feng D., Zhao R. Morphology-Based Multifractal Estimation for Texture Segmentation. IEEE Transactions on Image Processing. 2006, vol. 15, no. 3, pp. 614–623. doi: 10.1109/TIP.2005.863029Кузнецов В. А., Марюхненко В. С. Системный подход к решению проблемы фрактального анализа многомерных радиолокационных изображений // Сб. тр. XXIV Междунар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь», 17–19 апр. 2018 г.: в 5 т. Воронеж: Вэлборн, 2018. Т. 2. С. 26–38.Kuznetsov V. A., Maryuhnenko V. S. Sistemnyj podhod k resheniju problemy fraktal'nogo analiza mnogomernyh radiolokacionnyh izobrazhenij [System approach to solving the problem of multidimensional radar images fractal analysis]. Proc. XXIV Int. Scientific-technical Conference "Radiolocation, navigation, communication" 17–19 Apr. 2018. Voronezh, Vjelborn, 2018, vol. 2, pp. 26–38. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.