Tăng khả năng phân biệt mục tiêu trên bề mặt biển bằng phương pháp xử lý trung bình hệ số elip phân cực của tín hiệu thu

 Abstract—Bài báo đề xuất phương pháp làm tăng khả 
năng phân biệt mục tiêu trên bề mặt nhiễu biển theo hệ số 
elip phân cực trung bình. Trong mỗi cell radar nhận được 
N mẫu giá trị hệ số elip phân cực và tính được giá trị trung 
bình của hệ số K trong cell radar theo N mẫu đó. Bài toán 
phát hiện mục tiêu trên bề mặt nền theo tham số phân cực 
được thực hiện với giá trị K trung bình. Kết quả mô phỏng 
cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất bao gồm: 1, Độ 
tương phản của mục tiêu trên bề mặt nền tăng đáng kể; 2, 
Tăng xác suất phát hiện mục tiêu trên bề mặt nền theo tham 
số phân cực; 3, Phương sai của phân bố K đối với nhiễu nền 
giảm xuống khoảng 5 dB so với khi chưa xử lý trung bình. 
Keywords— Radar phân cực, phát hiện mục tiêu trên mặt 
biển, tham số phân cực. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Bài toán phát hiện mục tiêu radar sử dụng tham số phân 
cực mục tiêu được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, trong 
đó có các bài báo [1], [2], [3]. Thông tin khai thác thêm 
có thể làm tăng khả năng phát hiện [2] và khả năng phân 
loại [4], [5], [6]. Trong [7], Krivin N.N đã chứng minh 
bằng thực nghiệm hiệu ứng vết phân cực qua hệ số elip 
phân cực K trong cơ sở phân cực tròn. Các tác giả của bài 
báo [8] tiếp nối và ứng dụng các kết quả thực nghiệm 
trong công trình [7] để đề xuất thuật toán phát hiện mục 
tiêu trên bề mặt nền theo hệ số elip phân cực K. Tuy nhiên 
thuật toán sử dụng trong [8] cho xác suất báo động lầm 
lớn. Lý do là do hệ số elip phân cực K của nhiễu biển 
thăng giáng mạnh trong khoảng giá trị [-1: +1], với 
phương sai vào khoảng 0.47K . Chính điều này làm 
cho chất lượng ảnh radar thực nghiệm trong bài báo [7] 
vẫn còn nhiều ảnh lốm đốm, gây khó khăn cho việc phân 
biệt mục tiêu trên bề mặt nền. Kết quả thực nghiệm này 
cũng phản ánh nội dung nghiên cứu lý thuyết trong [8]. 
Bài toán đặt ra là để tăng độ tương phản của mục tiêu trên 
bề mặt nền theo hệ số elip phân cực K cần nghiên cứu 
phương pháp xử lý hệ số elip phân cực sao cho sự phân 
bố của hệ số elip K đối với nhiễu nền và mục tiêu+nhiễu 
nền tập trung hơn. Hay nói các khác cần giảm phương sai 
của phân bố K trong khi vẫn giữ nguyên giá trị trung bình. 
Hiện tượng ảnh lốm đốm là nguyên nhân chính làm 
giảm chất lượng của ảnh ra đa, gây khó khăn cho việc 
phân biệt mục tiêu trên bề mặt nền. Sự lốm đốm trên ảnh 
là do thăng giáng mạnh của hệ số elip phân cực của nhiễu 
nền. Trong [9], Swartz A.A sử dụng bộ lọc phân cực tối 
ưu để tăng độ tương phản của mục tiêu trên ảnh radar. 
Trong [10], tác giả sử dụng bộ lọc làm trắng phân cực 
bằng cách kết hợp các thành phần HH (Horizontal-
Horizontal), HV (Horizontal-Vertical), VV (Vertical-
Vertical) của tín hiệu phân cực trong ảnh SAR phân cực 
(Synthetic Aperture Radar) làm cho độ lốm đốm (tương 
đương độ lệch chuẩn của nhiễu nền) trong ảnh là nhỏ 
nhất. 
Bài báo đề xuất phương pháp xử lý hệ số elip phân cực 
trung bình K để giảm độ lệch chuẩn của hệ số elip phân 
cực K, K đối với nhiễu biển nói riêng và nhiễu nền nói 
chung. Bố cục bài báo như sau: phần II trình bày tóm tắt 
về bài toán phát hiện mục tiêu theo hệ số elip phân cực K 
và đề xuất thuật toán phát hiện mục tiêu theo hệ số elip 
phân cực trung bình Ktb. Phần III là kết quả mô phỏng cho 
bài toán phát hiện mục tiêu theo hệ số elip phân cực và so 
sánh kết quả cho 2 trường hợp: sử dụng hệ số K và hệ số 
Ktb, phần IV là kết luận. 
II. GIẢM SỰ THĂNG GIÁNG CỦA HỆ SỐ ELIP PHÂN CỰC ĐỐI 
VỚI NHIỄU BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TRUNG BÌNH 
a. Bài toán phát hiện mục tiêu trên bề mặt nền theo hệ 
số elip phân cực K 
Trong [8], các tác giả đã đưa ra thuật toán phát hiện 
mục tiêu trên bề mặt nền theo hệ số elip phân cực K. Xét 
hệ thống radar cụ thể như sau: tín hiệu phát xạ có phân 
cực tròn phải, tín hiệu thu về đồng thời theo hai kênh phân 
cực tròn phải, tròn trái trực giao [11]. Hệ thống sẽ đo mô 
đun tỉ số phân cực tròn ở dạng: RLP ( ) ( ) / ( )R Lt E t E t   
, sau đó tính toán hệ số elip phân cực theo biểu thức: 
Phạm Trọng Hùng, Nguyễn Trung Thành 
Học Viện Kỹ thuật quân sự 
TĂNG KHẢ NĂNG PHÂN BIỆT MỤC TIÊU 
TRÊN BỀ MẶT BIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP 
XỬ LÝ TRUNG BÌNH HỆ SỐ ELIP PHÂN 
CỰC CỦA TÍN HIỆU THU 
Số 01 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 74
RL
RL
P ( ) 1
( ) ; 1 ( ) 1
P ( ) 1
t
K t K t
t


 (1) 
Kết quả mô phỏng bài toán phát hiện mục tiêu trên 
bề mặt nền theo hệ số elip phân cực được thể hiện trên 
hình 1. Có 5 mục tiêu được gieo với toạ độ ngẫu nhiêu 
với các hệ số elip phân cực tương ứng K= -0.4595; 
0.6667; 0.4286; 0.8018; -0.7143. Biên độ tín hiệu thay 
đổi theo tỉ số tín hiệu/nhiễu nền SCR (signal to cluter 
ratio) cho trước. Nhiễu bề mặt biển được giả định có phân 
bố Rayleigh. Tỷ số SCR có các giá trị: 0 và 5 dB. Kết quả 
mô phỏng như trên hình 1. 
b. Đặc tính thống kê của tham số phân cực K đối với 
nhiễu nền 
Trên hình 1 ta thấy rằng, nhiễu nền có độ thăng giáng 
lớn, ảnh hưởng đến khả năng phân biệt mục tiêu trên bề 
mặt nền. Sự thăng giáng này là do hệ số elip phân cực K 
đối với nhiễu biển phân bố dàn trải trong khoảng giá trị 
K=[-1:1]. Mật độ phân bố của hệ số K đối với nhiễu biển 
như trên hình 2. 
Nghiên cứu kết quả thực nghiệm được thực hiện 
trong công trình [7], (Bảng 1) với tỷ số SCR có giá trị từ 
-10 dB đến 5 dB tuỳ thuộc vào điều kiện sóng biển thấy 
rằng giá trị trung bình của nhiễu biển bằng 0K , trong 
khi giá trị trung bình của mục tiêu + nhiễu biển gần bằng 
0,8K và phương sai tương ứng bằng 
0,23 0,56K  đối với nhiễu biển và 0,07 0,08K  
đối với mục tiêu. Như vậy thay vì sử dụng hệ số K trong 
mỗi cell radar để cho ảnh như trên hình 1, bài báo đề xuất 
thuật toán phát hiện mục tiêu trên bề mặt nền theo hệ số 
K trung bình. Thuật toán này được trình bày trong bài báo 
[8]. 
Bảng 1: Kết quả thực nghiệm hiệu ứng vết phân cực trên bề mặt biển [7] 
Mục tiêu, khoảng cách Độ cao sóng K trung bình 
mK 
Phương sai của K, K 
Bề mặt biển, D =1,5÷1,6 km ≈ 0,2 m 0,2 0,1K  0,23K 
Cọc sắt (l =1,5 m, d= 0,05m) 
trên bề mặt biển, D =1,5÷1,6 km 
≈ 0,2 m 0,8K 0,07 0,08K  
Bề mặt biển, D =1,5÷1,6 km ≈0,4÷0,5 m 0K 0,26K 
Cọc sắt (l =1,5 m, d= 0,05m) trên bề 
mặt biển, D =1,5÷1,6 km 
≈ 0,5 m 
0,75K 
0,033K 
Bề mặt biển, D =1,2÷1,6 km ≈1,2÷1,5 m 0K 0,56K 
Cọc sắt (l =1,5 m, d=0,05 m) 
trên bề mặt nền, D =1,5÷1,6 km 
≈1,2÷1,5 m 
0,7K 
0,11 0,125K  
a, 
b. 
Hình 1. Phát hiện mục tiêu trên bề mặt nền theo hệ số elip phân cực K 
Số 01 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 75
P.T. Hùng, N.T.Thành: Tăng khả năng phân biệt mục tiêu trên bề mặt biển bằng phương pháp xử lý.. của tín hiệu thu 3
Hình 2. Sự phân bố của hệ số elip phân cực K của 
nhiễu biển với mô hình nhiễu Rayleigh 
c. Đề xuất giải pháp giảm độ thăng giáng của hệ số 
elip phân cực K đối với nhiễu nền bằng phương pháp tính 
trung bình theo đoạn 
Phương pháp đề xuất được trình bày như sau: Giả sử 
trong mỗi cell radar nhận được N mẫu giá trị K ứng với 
mỗi thời gian lẫy mẫu ti (i=1:N) là (K(t1), K(t2) K(tN) ). 
Để đơn giản có thể viết thành các mẫu K1, K2KN. Việc 
tính giá trị K trung bình trong một cell đó được thực hiện 
theo công thức: 
1
1
( )
N
K
i
m K i
N 
  (2) 
Biểu đồ phân bố của giá trị trung bình K đối với nhiễu 
biển được mô phỏng như trên hình 3, 4 với N=10, và 
nhiễu có nhiễu biển có phân bố Rayleigh. 
Hình 3. Hệ số elip phân cực K của nhiễu biển 
Hình 4. So sánh phân bố của hệ số elip phân cực K 
(trái) và trường hợp tính theo giá trị K trung bình (phải) 
Trên hình 3, 4, ta thấy rằng giá độ thăng giáng của hệ 
số K đã giảm mạnh, trị trung bình của hệ số K đối với 
nhiễu biển vẫn không đổi gần bằng 0 nhưng phương sai 
của nó đã giảm đáng kể khi tính theo giá trị trung bình từ 
σ=0.4781 giảm còn σtb=0.1515, tương đương 5 dB. Kết 
quả cũng cho thấy phương pháp xử lý theo giá trị trung 
bình K cũng tốt hơn kết quả đo thực nghiệm hệ số K đối 
với nhiễu biển trong bài báo [7]. Khi độ thăng giáng của 
hệ số K đối với nhiễu biển giảm đồng nghĩa với việc tăng 
khả năng phân biệt mục tiêu trên bề mặt nền theo tham số 
phân cực K. Phương sai của hệ số K đối với nhiễu biển 
khi xử lý theo trung bình với N=10 đã giảm đáng kể so 
với phương sai của nhiễu biển đo được bằng thực nghiệm 
trên bảng 1 [7]. 
III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
a. Ảnh radar theo hệ số elip phân cực K 
Bài toán phát hiện theo hệ số K trung bình được mô 
phỏng dưới đây. Giả sử 5 mục tiêu được gieo với toạ độ 
ngẫu nhiêu có các hệ số phân cực tương ứng K= -0.4595; 
0.6667; 0.4286; 0.8018; -0.7143. Biên độ tín hiệu thay 
đổi theo SCR cho trước. Nhiễu bề mặt biển được giả định 
có phân bố Rayleigh. Tỷ số SCR có các giá trị: -10 dB và 
0 dB tương đương với điều kiện thực nghiệm đã được 
thực hiện trong công trình [7]. Kết quả mô phỏng như trên 
hình 5. 
Trên hình 5 ta thấy rằng độ tương phản của bề mặt 
nền tăng lên, làm ảnh của mục tiêu theo hệ số elip K rõ 
nét trên nền ảnh. Điều này làm tăng khả năng phát hiện 
với các mục tiêu có mức tỷ số tín/nhiễu nền SCR nhỏ cỡ 
-10 dB. Trên hình 5a (trên) thấy rằng, nếu chỉ tính theo 
giá trị K thì không thể nhìn thấy mục tiêu nào trên ảnh ra 
đa, tuy nhiên khi sử dụng phương pháp tính Ktb đã có thể 
nhìn thấy 3/5 mục tiêu. Khi SCR tăng lên thì độ tương 
phản của mục tiêu trên bề mặt nền càng rõ nét hơn như 
Số 01 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 76
trên hình 5b với SCR=0 dB, có thể nhìn thấy bằng mắt 
5/5 mục tiêu. 
b. Phát hiện mục tiêu theo hệ số elip phân cực khi 
đặt ngưỡng phát hiện 
Khi đặt ngưỡng phát hiện theo hệ số K, có thể loại bỏ 
được tín hiệu nhiễu biển trên ảnh radar. Kết quả mô phỏng 
được trình bày trên hình 6. 
Trên hình 6 ta thấy rằng, khi đặt ngưỡng phát hiện tự 
động phát hiện để loại bỏ ảnh của nhiễu biển, độ tương 
phản của mục tiêu tăng lên đáng kể. Với SCR = 0 dB, có 
thể phát hiện bằng mắt thường 3/5 mục tiêu (hình 6a). Với 
SCR = 5 dB có thể phân biệt được 5/5 mục tiêu (hình 6b). 
Tuy nhiên vẫn còn ảnh lốm đốm của nhiễu biển trong ảnh 
radar. Các ảnh lốm đốm này gây nên xác suất báo động 
lầm. Có thể giảm độ lốm đốm hơn nữa khi tăng mức 
ngưỡng Kng lên, tuy nhiên điều này có thể làm tăng xác 
suất bỏ sót mục tiêu nếu tham số phân cực của mục tiêu 
nằm dưới mức ngưỡng Kng. 
c. Tính xác suất phát hiện đúng mục tiêu theo hệ 
số elip phân cực 
Việc tính xác suất phát hiện đúng được thực hiện 
bằng cách gieo 105 lần một mục tiêu có hệ số elip phân 
cực K cho trước trên nền nhiễu Rayleigh với các giá trị 
SCR thay đổi từ -10 dB đến 20 dB, sau đó đặt ngưỡng 
phát hiện theo hệ số elip phân cực Kng. Xác suất phát hiện 
đúng bằng số lần có hệ số elip phân cực K (Ktb) nằm trong 
khoảng phát hiện Kng/tổng số lần gieo khi có mục 
tiêu+nhiễu nền. Xác suất báo động lầm bằng số lần hệ số 
K của nhiễu nền nằm trong khoảng phát hiện/tổng số mẫu 
a, b, 
Hình 5. Mô phỏng và so sánh hiệu quả của phương pháp phát hiện theo hệ số K trung bình. Hình trên: chưa xử 
lý; Hình dưới: xử lý theo phương pháp trung bình 
a, 
b, 
Hình 6. Phát hiện mục tiêu theo ngưỡng hệ số elip phân cực K, với Kng=0.3 
Số 01 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 77
P.T. Hùng, N.T.Thành: Tăng khả năng phân biệt mục tiêu trên bề mặt biển bằng phương pháp xử lý.. của tín hiệu thu 5
đối với nhiễu nền khi không có mục tiêu. Kết quả tính 
toán được thể hiện trên hình 7 với các bộ tham số khác 
nhau. 
Trên hình 7 ta thấy rằng xác suất phát hiện của phương 
pháp đề xuất cao hơn so với khi chưa xử lý hệ số elip phân 
cực K. Đồng thời xác suất báo động lầm cũng đã giảm với 
trường hợp Kmt =0.78, Kng=0.5, N=10 từ PF1 =0.2 với 
trường hợp tính theo phương pháp K và bằng PF2=3.10-5 
đối với phương pháp tính theo hệ số elip phân cực trung 
bình Ktb (hình 7a, b). Trên hình 7c chỉ ra rằng: với mục 
tiêu có hệ số elip phân cực Kmt=0.818 thì PD=0.9 
(PF=6.10-4) khi SCR bằng 7dB với phương pháp tính theo 
Ktb, còn với phương pháp tính theo K thì để đạt được 
PD=0.9 (PF=0.3) thì SCR phải bằng 13 dB. Trên hình 7 
cũng chỉ ra rằng khi đặt mức ngưỡng cao, PF sẽ nhỏ và 
xác suất phát hiện đúng cao chỉ với các giá trị SCR lớn và 
ngược lại xác suất phát hiện đúng giảm. Khi đặt ngưỡng 
phát hiện Kng thấp thì xác suất báo động lầm sẽ cao hơn 
và xác suất phát hiện đúng sẽ lớn đối với SCR nhỏ hơn. 
IV. KẾT LUẬN 
Bài báo đã đề phương pháp phát hiện mục tiêu theo hệ 
số elip phân cực trung bình Ktb. Kết quả mô phỏng chỉ ra 
hiệu quả của phương pháp đề xuất so với phương pháp 
tính theo hệ số K chưa xử lý. Độ tương phản của mục tiêu 
trên bề mặt nền trong ảnh ra đa tăng lên đáng kể, làm tăng 
xác suất phát hiện, phân biệt mục tiêu trên bề mặt nền 
theo tham số phân cực. Với phương pháp đề xuất, có thể 
phân biệt được các mục tiêu có RCS nhỏ (từ -10 dB trở 
lên) trên ảnh ra đa phân cực. Điều này mở ra khả năng 
phát hiện các mục tiêu có kích thước nhỏ trên bề mặt nền 
như mặt biển, mặt đất. 
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Wenguang Wang, Yu Ji and Xiaoxia Lin, "A Novel 
Fusion-Based Ship Detection Method from Pol-SAR 
Images," Sensor, vol. 15, pp. 25072-25089, 2015. 
[2] Liu C, Vachon P. W and Geling G. W, "Improved ship 
detection using polarimetric SAR data," Canadian 
a, 
b, 
c, 
d. 
Hinh 7. Đánh giá xác suất phát hiện đúng theo hệ số elip phân cực 
Số 01 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 78
Journal of Remote Sensing, vol. 31, no. 1, pp. 122-131, 
2005. 
[3] Haiyan Li, William Perrie and Yijun He, "Target 
Detection on the Ocean With the Relative Phase of 
Compact Polarimetry SAR," IEEE Transactions on 
Geoscience and Remote Sensing, vol. 51, no. 6, pp. 3299-
3305, 2013. 
[4] G. Margarit, J. J. Mallorqui and J. M. Rius, "On the usage 
of GRECOSAR, an orbital polarimetric SAR simulator 
of complex targets, to vessel classification studies," IEEE 
Trans. Geosci. Remote Sens, vol. 44, no. 12, p. 3517–
3526, 2006. 
[5] G. Margarit, J. J. Mallorqui and X. Fabregas, "Single-
pass polarimetric SAR interferometry for vessel 
classification," IEEE Trans. Geosci Remote Sens, vol. 45, 
no. 11, p. 3494–3502, Nov. 2007. 
[6] H. Li, Y. He and W. Wang, "Improving ship detection 
with polarimetric SAR based on convolution between co-
polarization channels," Sensors, vol. 9, no. 2, p. 1221–
1236, 2009. 
[7] Krivin N.N., Tatarinov V.N. and Tatarinov S.V. , 
"Innovations in Radar Technologies: Polarization 
Invariants Parameter Utilization for the Problem of 
Radar Object Detection and Mapping," in Proceedings of 
the First Postgraduate Consortium International 
Workshop, Tomsk, Russia, 2011. 
[8] P.T Hung, N.T Thanh and P.M Nghia, "Two-levels 
threshold detection using polarimetric parameter 
ellipticity in accordance with Neyman-Pearson 
criterion," Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, HVKTQS, pp. 
20-30, 8-2016. 
[9] A. A. Swartz, H. A. Yueh, J. A. Kong, L. M. Novak and 
R. Shin, "Optimal Polarizations for Achieving Maximum 
Contrast in Radar Images," Journal of Geophysical 
Research, vol. 93, no. 12, pp. 15,252-15,260, December 
10, 1988. 
[10] L.M. Novak, "Optimal Speckle Reduction in 
Polarimetric SAR Imagery," IEEE Trans. AES, March, 
1990. 
[11] Ligthart L., Tatarinov V.N., Tatarinov S.N. and Pusone 
E., "An effective polarimetric detection of small-scale 
man-made radar objects on the sea surface," Microwaves 
Radar and Wireless Communications, MIKON-2002. 
14th International Conference on Publication Year, vol. 
2, pp. 677 - 680. 
Phạm Trọng Hùng tốt nghiệp đại 
học Hàng không Mat-cơ-va, Liên 
Bang Nga năm 2007, tốt nghiệp 
Thạc sỹ tại Học viện kỹ thuật quân 
sự năm 2010. Hiện là giảng viên 
Học viện Kỹ thuật quân sự. Chuyên 
nghiên cứu về lĩnh vực radar phân 
cực, tác chiến điện tử, các hệ thống 
vô tuyến. 
 Nguyễn Trung Thành: tốt nghiệp 
đại học tại Học viện kỹ thuật quân sự 
năm 2002, tốt nghiệp Thạc sỹ năm 
2009 và Tiến sĩ năm 2015 tại La 
Trobe University, Australia. Hiện là 
giảng viên Học viện Kỹ thuật quân 
sự. Chuyên nghiên cứu về lĩnh vực 
radar, tác chiến điện tử, xử lý tín hiệu 
số.
Số 01 (CS.01) 2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 79