Автореферат (Двумерный корреляционный анализ пониженной вычислительной сложности для разнесенных пассивных систем)

На правах рукописиКАРИХ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧДВУМЕРНЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗПОНИЖЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЛОЖНОСТИДЛЯ РАЗНЕСЕННЫХ ПАССИВНЫХ СИСТЕМСпециальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройствателевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква-2017Работа выполнена в акционерном обществе «Всероссийский научноисследовательский институт радиотехники» (АО «ВНИИРТ») и в федеральномгосударственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования«Московский технологический университет» (МИРЭА).Научный руководитель:к.т.н.

Шевяков Николай Николаевич,начальник отдела по разработкеалгоритмов и программного обеспеченияцифровой обработки информацииАО «ВНИИРТ», г. Москва.Официальные оппоненты:д.т.н. проф. Шатхарин Борис Ильич,профессор кафедры автономныхинформационных и управляющих системМосковского государственноготехнического университета им. Н.Э. Баумана;д.т.н. доцент Джиган Виктор Иванович,главный научный сотрудникOOO «Техкомпания Хуавэй», г. Москва.Ведущая организация:ОАО «НПК «Научно-исследовательскийинститут дальней радиосвязи», г.

Москва.Защита состоится 9 июня 2017 г. в 15.00 на заседании диссертационного советаД212.131.01 при ФГБОУ ВО «Московский технологический университет»(МИРЭА) по адресу: 119454, г. Москва, просп. Вернадского, д. 78, ауд. Д-117.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА и на сайте:https://www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertational-councild-212-131-01/Автореферат разослан ____________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.131.01кандидат технических наук, доцентА.И. Стариковский2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИАктуальность темы.

В радиотехнических задачах требуется исследоватьсвойства сигнала, определить его основные параметры, в том числе временной ичастотный сдвиг. Традиционно эти параметры измеряются с помощьюодномерной корреляционной обработки, т.е. получают корреляционную функцию(КФ) и определяют либо временной, либо частотный сдвиг. В случаеодновременного измерения двух параметров сигнала целесообразно использоватьдвумерную корреляционную функцию (ДКФ) или функцию неопределенности,введенную Ф.М.

Вудвордом в середине прошлого века. ДКФ χ(,Φ) имеет вид: ( , Φ)   U ( f )V * ( f  Ф)e j 2f df или  ( , Φ)   u (t )v* (t   )e j 2Φt dt ,(1)где t – текущее время;  – время задержки; f – частота; Φ – частотный сдвиг; u(t) –сигнал первого приемного канала; v(t) – сигнал второго приемного канала; U(f) –спектр сигнала первого приемного канала; V(f) – спектр сигнала второгоприемного канала; * – знак комплексного сопряжения.ДКФ определяет взаимную связь временной структуры сигнала и егоспектра. От ширины спектра сигнала зависит разрешающая способность ипогрешность измерения задержки и частотного сдвига. Таким образом, получениеДКФ становится одним из важных направлений исследований в теории обработкии обнаружения сигналов в области радиотехнических разработок.В решении задачи получения ДКФ при цифровой обработке сигналов(ЦОС) на основе традиционных корреляционных методов и согласованнойфильтрации возникает ряд трудностей.Во-первых,существованиезависимостиогибающейДКФотнескомпенсированной задержки (ошибки) в одном из приемных каналов инескомпенсированного частотного сдвига.Во-вторых, получение ДКФ связанно с большим объемом вычислений.

Так,при вычислении ДКФ корреляционным методом для 1024 отсчетов по задержке и128 отсчетов по частоте необходимо выполнить порядка 109 операций сложения иумножения. Например, если обрабатывать сигнал с полосой 10 МГц в реальномвремени, то вычислитель должен иметь производительность не ниже 200 Гфлопс.Это требует либо применения несколько десятков сигнальных процессоров, либопрограммируемых интегральных схем (ПЛИС) последних поколений (типа VirtexVII), что экономически затратно.Эти трудности ограничивают применение традиционных подходовполучения ДКФ и обуславливают актуальность разработки новых способов иалгоритмов, сокращающих объем вычислений. Это позволит реализовать ДКФ вреальном времени на вычислителях средней производительности (от 20 до 200Гфлопс), тем самым сократив себестоимость аппаратной реализации как приразработке новых, так и при модернизации существующих средств ЦОС.Получению ДКФ в реальном времени уделялось мало внимания какроссийскими, так и зарубежными исследователями.

Работы, посвященные этойпроблеме, немногочисленны, в отличие от одномерной обработки. Стоит3отметить работы О.А. Морозова, М.М. Сорохтина, Р.А. Ершова, В.Р. Фидельманаиз национального исследовательского Нижегородского государственногоуниверситета им. Н.И. Лобачевского. Многие теоретические аспекты ДКФ взначительной степени исследованы, однако, например, вопросы ее реализациипроработаны недостаточно.Объектом исследования являются методы и алгоритмы получения ДКФ,позволяющие получить оценку величины задержки и частотного сдвига в широкомдиапазоне для двумерного корреляционного анализа.Предметом исследования является разработка способа и алгоритмаполучения ДКФ в присутствии аддитивных помех с целью реализации ее вреальном времени на вычислителях средней производительности.Основной целью работы является повышение эффективностикорреляционной обработки и частотной фильтрации при получении ДКФ вреальном времени в присутствии аддитивных помех (под эффективностьюпонимают: K э  N T / ko 100 0 0 , где NT – общее число отсчетов накопления наинтервале Tχ; ko – количество операций затраченных для вычисления ДКФ).Задачи диссертационной работы:– анализ существующих методов и способов получения ДКФ в реальномвремени;– разработка способа и алгоритма получения ДКФ для заданных диапазоновзадержки и частотного сдвига;– проверка эффективности разработанного способа по сравнению с другимиметодами и способами получения ДКФ, а также его применимость;– верификация разработанного способа с целью проверки достоверностиполученных результатов;– получение отношения сигнал/шум (С/Ш) на выходе квадратурногокоррелятора (КВК), как составной части системы для вычисления ДКФ;– предложения по построению и исследованию системы подавления”антикорреляционных” сигналов (помех) и боковых лепестков ДКФ;– реализация предложенного способа на современной и перспективноймногоядерной элементной базе (ЭБ), в частности, на ПЛИС и графическомпроцессоре (ГП).Научная новизна работы заключается в следующем:• разработан способ получения ДКФ, который является модификациейкорреляционно-фильтрового метода обработки, заключающийся в корреляционноманализе на последовательности временных интервалов накопления и матричнойобработки результатов вычислений;• получены аналитические выражения для определения среднего значения,дисперсии и соответственно отношения С/Ш по мощности на выходе КВК привоздействии на входе стохастического сигнала и некоррелированных шумов сучетом доплеровского сдвига частоты сигнала;• получены количественные характеристики подавления боковых лепестков ДКФ иразличных типов “антикорреляционных” сигналов (помех) при помощиавтокомпенсатора с корреляционной обратной связью (АК).4Практическая значимость работы заключается в том, что предложенныйспособ и алгоритм получения ДКФ предназначен для широкого кругатехнических и радиотехнических приложений.

В частности:• в электронных устройствах − для идентификации технических системпутем снятия их характеристик в процессе нормального функционирования; длянастройки радиоэлектронной аппаратуры;• в энергетике − для исследования энергетических и электротехническихсистем при флуктуациях активной мощности в энергосети;• в термоядерной физике − для определения корреляционно-частотныхсвязей неэлектрических величин, например, при исследовании колебания плазмы;• в механике − для технической диагностики механических узлов иагрегатов;• в радиотехнических системах − для определения параметров сигналовисточников радиоизлучения (ИРИ) в гиперболических разностно-дальномерных,корреляционно-пеленгационных разнесенных пассивных радиотехническихсистемах с целью повышения их эффективности и уменьшения стоимостиаппаратуры.Результаты работы также могут применяться для активных систем, где вкачестве второго приемного канала выступает копия сигнала и для построенияустройств отождествления принятого сигнала и копии, распознавания типовсигналов ИРИ по форме ДКФ.Предложенный способ получения ДКФ повышает эффективностьдвумерных корреляционных измерений в сотни раз (относительно известногокогерентного способа с компенсацией частотного сдвига).

Это позволяетреализовать ДКФ в реальном времени на вычислителях среднейпроизводительности, тем самым сократив в десятки раз себестоимостьаппаратной реализации как при разработке новой, так и при модернизациисуществующей аппаратуры ЦОС.В работе предложен принцип построения аппаратуры ЦОС длякорреляционной обработки на ГП, работающей в жестких условиях эксплуатации(индустриальном диапазоне механических и климатических воздействий), что всвою очередь, открывает возможность широкого применения этой ЭБ дляпостроения технических, радиотехнических, пассивных и активных систем.Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались,обсуждались и получили положительные отклики на 8-и всероссийских и 3-хмеждународных научно-технических конференциях.Публикации.