Диссертация (Двумерный корреляционный анализ пониженной вычислительной сложности для разнесенных пассивных систем), страница 2

Получению ДКФ в реальномвремени на протяжении более полувека уделялось мало внимания. Работы какроссийских [3,4,106,107], так и зарубежных исследователей [121,122] посвященныеэтой проблеме, немногочисленны, в отличие от одномерной обработки, т.е.получение КФ. Одномерная обработка началась развиваться в 40…50 гг.

прошлоговека в работах Ланге Ф., Давенпорта В., Миддлтона Д., Лампарда Д. Былирассмотрены и исследованы методы получения КФ, вопросы аппаратнойреализации и метрологического анализа, а также решены задачи, связанные сповышением эффективности существующих корреляционных систем. ДКФ,наоборот, теоретически исследована, а вопросы её реализации проработанынедостаточно. Это связано с тем, что получение КФ проще реализовать, даже сприменением аналоговой техники. Получение ДКФ с приемлемыми параметрамистало возможно только с помощью вычислительной техники и ЦОС.Целью диссертации является повышение эффективности корреляционнойобработки и частотной фильтрации при получении ДКФ в реальном времени вприсутствии аддитивных помех.Повышение быстродействия вычислителей, хотя и приносит ощутимоеувеличение эффективности, но этого недостаточно.

Причем, как отмечалось в [5],решение вопроса построения системы корреляционного анализа следуетрассматривать совместно с принципами реализации коррелятора различнымиметодами и способами. Необходимо предложить метод, алгоритм и структуруобработки для получения ДКФ в реальном времени.Особенностью разрабатываемых алгоритмов должна быть возможностьреализации их на многоядерной ЭБ, т.е.

на ПЛИС и универсальном процессоре(УП), а также на новой и малоосвоенной ЭБ- графическом процессоре (ГП). Надвух первых типах ЭБ традиционно строятся системы обработки. ИспользованиеГП для получения ДКФ не рассматривалось в известной автору работы8литературе. Сложность реализации на ГП заключается в специализированнойархитектуре, непосредственно предназначенной для выполнения графическихопераций. В последнее время возрастает интерес к использованию ГП длярешения задач не только в целях отображения информации, но и для обработкисигналов, учитывая большую производительность ГП за счёт параллельнойархитектуры [6].Так как корреляционная система должна однозначно определять параметрысигналов в присутствии аддитивных и мультипликативных шумов и помех, тонеобходимо предложить и рассмотреть системы подавления и компенсации.Таким образом, с одной стороны применение современной ЭБ с большимбыстродействием и объёмом памяти, интерфейсов и ресурсов, а с другой сторонывсе более возрастающие требования к построению корреляционных систем даютновый виток в развитии техники измерений и ставят перед исследователяминовые задачи в области разработки алгоритмов двумерной обработки.Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решеныследующие задачи:• 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 ЭБ, в частности, на ПЛИС и ГП.9Научная новизна заключается в совершенствовании методов и алгоритмовполучения ДКФ в реальном времени, в частности:1) разработан способ получения ДКФ, который является модификациейкорреляционно-фильтрового метода обработки, заключающийся в корреляционноманализе на последовательности временных интервалов накопления и матричнойобработки результатов вычислений;2) получены аналитические выражения для среднего значения, дисперсии исоответственно отношения С/Ш на выходе КВК при воздействии на входестохастического сигнала и некоррелированных шумов с учётом доплеровскогосдвига частоты сигнала;3) получены количественные характеристики подавления боковых лепестковДКФ и различных типов “антикорреляционных” сигналов (помех) при помощиавтокомпенсатора с корреляционной обратной связью (АК).Практическаязначимостьдиссертациизаключаетсявтом,чтопредложенный способ и алгоритм получения ДКФ предназначен для широкогокруга технических и радиотехнических приложений.

В частности:1) в электронных устройствах − для идентификации технических системпутём снятия их характеристик в процессе нормального функционирования, длянастройки радиоэлектронной аппаратуры;2) в энергетике − для исследования энергетических и электротехническихсистем при флуктуациях активной мощности в энергосети;3) в термоядерной физике − для определения корреляционно-частотныхсвязей неэлектрических величин, например, при исследовании колебания плазмы;4) в механике − для технической диагностики механических узлов иагрегатов;5)вмедицине−дляизмерения(баллистокардиограмм,электрокардиограмм) физиологических процессов в организме человека;6) в радиотехнических системах − для определения параметров сигналовисточников радиоизлучения (ИРИ) в гиперболических разностно-дальномерных,корреляционно-пеленгационныхразнесённыхпассивныхрадиотехнических10системах [108-111] с целью повышения их эффективности и уменьшениястоимости аппаратуры.Результаты работы могут применяться для активных систем, где в качествевторого приёмного канала выступает копия сигнала.

Также для построенияустройств отождествления принятого сигнала и копии, распознавания типовсигналов ИРИ по форме ДКФ, сопровождения [112], оценивания координат искорости ИРИ [113-115], траекторному управлению [116,117].Вработепредложенпринциппостроенияаппаратурыкорреляционной обработки на основе ГП, работающей в жёсткихЦОСдляусловияхэксплуатации (индустриальном диапазоне механических и климатическихвоздействий), что в свою очередь, открывает возможность широкого примененияэтой ЭБ для построения технических, радиотехнических, пассивных и активныхсистем.Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертациидокладывались и обсуждались:• на 59,61 научно-технической конференции МГТУ МИРЭА, г. Москва,2010, 2012 гг.;• на 3, 4, 6 научно-технической конференции молодых учёных испециалистов ПАО «НПО «Алмаз» г. Москва, 2012, 2013, 2015 гг.;• на всероссийской конференции «Радиоэлектронные средства получения,обработки и визуализации информации (РСПОВИ-2013)» г. Смоленск, 2013 г.;• нанаучно-техническойконференциипопроблемамразвитиярадиолокации АО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей» г. Москва, 2013 г.;• на 1 Всероссийской научно-технической конференции «Расплетинскиечтения» ПАО «НПО «Алмаз» г.

Москва, 2014 г.;• на 15 международной научно-практической конференции «Цифроваяобработка сигналов и её применение (DSPA-2013)» г. Москва, 2013 г.;• на 1 международной научно-практической конференции «Актуальныепроблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационныхсистем (Радиоинфоком-2013)» г. Москва, 2013 г.;11• на 2 международной научно-практической конференции «Актуальныепроблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационныхсистем (Радиоинфоком-2015)» г. Москва, 2015 г.Публикации. Основные результаты изложены в 14 статьях: 11 вцентральных изданиях и трудах конференции, 3 в изданиях, рекомендованных вперечнях ВАК, а также в патентах на полезную модель: №79645, №80068, 2009 г.;№132625, 2013 г.; №142213, 2014 г.Внедрение результатов работы. На основе предложенного способа ирезультатовисследованийбылиразработаныдвавариантастендакорреляционной обработки для пассивных комплексов радиотехническогоконтроля, предназначенного для выполнения научно-исследовательской иопытно-конструкторской работы в ЗАО «МАК-СКАЛА» и ОАО «НПК«ТРИСТАН».

При практической реализации построения конструктивов дляаппаратуры ЦОС были применены различные конструктивные новшества,защищённые патентами РФ на полезную модель:№79645, №80068, 2009 г.;№132625, 2013 г.; №142213, 2014 г. Конструктивы выпускаются в виде серийныхблоков на предприятиях АО «Лантан» и АО «НПО «ЛЭМЗ». Акты реализации ивнедрения прилагаются к диссертации.Достоверностьполученныхнаучныхрезультатовподтвержденасравнением экспериментальных результатов, полученных при практическойаппаратно-программной реализации стендов корреляционной обработки срасчётными результатами (расхождение не превышает 1,5%).Методы исследования.

Теоретическую и методическую базу исследованиясоставили методы математического дискретного анализа и матричных операций,теория случайных процессов, методы математического моделирования, а такжеэкспериментальные исследования.Основные положения, выносимые на защиту:• способ и алгоритм получения ДКФ за счёт перехода от когерентногонакопления к субкогерентному позволяет уменьшить требования к ресурсам12вычислителя и повысить эффективность, в зависимости от количества точекнакопления, т.е. при Nτ=256 в 1612 раз, а при Nτ=4096 в 84 раза;• отношение С/Ш на выходе КВК при получении ДКФ пропорциональноквадрату коэффициента корреляции сигналов на входе, коэффициенту накопления2и функции [sin( x) / x] , где х − произведение времени накопления и разностидоплеровских частот полезного сигнала;• АКподавляетбоковыелепесткиДКФдляширокогокласса“антикорреляционных” сигналов (помех).

При стохастическом полезном сигнале,гармонической и частотно-модулированной (ЧМ) помехе средний коэффициентподавления боковых лепестков составляет 16 дБ (ρ=0,92), а при шумовой помехесредний коэффициент подавления составляет 14 дБ (ρ=0,89).Структура и объём работы. Диссертация общим объёмом 218 страниц,включает 82 рисунка. Состоит из введения, 4 глав, заключения, спискалитературы из 173 наименований и 6 приложений.Содержание работы.Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определён объекти предмет исследования, цели и задачи исследования. Указаны теоретические иметодическиеосновыисследования,приведенысведенияонаучнойипрактической ценности и значимости работы.Первая глава содержит краткий обзор существующих методов и способовполучения ДКФ при ЦОС в реальном времени.